燃料噴射弁
【課題】旋回流れを改善することにより、簡単な構成で微粒化性能を向上できる燃料噴射弁を提供する。
【解決手段】弁体３と弁座１０とが離接するシート部の下流側に位置する旋回流発生部と、旋回流発生部の下流側に接続された燃料噴射孔２３とを備え、旋回流発生部に、横断面がインボリュート又はらせん形状に形成され底面に燃料噴射孔２３が開口する旋回室２２と、旋回室２２の上流側に接続され旋回室２２に燃料を導入する旋回用通路２１とを有する燃料噴射弁において、旋回流発生部の底面であって、旋回用通路２１から旋回室２２に流れ込む燃料と旋回室２２を旋回してきた燃料とが合流する部分の底面に、旋回用通路２１側の底面よりも燃料噴射孔２３が開口する側の底面の方が低くなるように、段差２４が設けられている。
【解決手段】弁体３と弁座１０とが離接するシート部の下流側に位置する旋回流発生部と、旋回流発生部の下流側に接続された燃料噴射孔２３とを備え、旋回流発生部に、横断面がインボリュート又はらせん形状に形成され底面に燃料噴射孔２３が開口する旋回室２２と、旋回室２２の上流側に接続され旋回室２２に燃料を導入する旋回用通路２１とを有する燃料噴射弁において、旋回流発生部の底面であって、旋回用通路２１から旋回室２２に流れ込む燃料と旋回室２２を旋回してきた燃料とが合流する部分の底面に、旋回用通路２１側の底面よりも燃料噴射孔２３が開口する側の底面の方が低くなるように、段差２４が設けられている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関で使用される燃料噴射弁に係り、特に、複数個の燃料噴射孔を有し、各々の燃料噴射孔より旋回燃料を噴射して微粒化性能を向上させ得る燃料噴射弁に関する。
【背景技術】
【０００２】
複数個の燃料噴射孔から旋回燃料を噴射して、燃料の微粒化を促進する従来技術として、特許文献１に記載されたフューエルインジェクタが知られている。
【０００３】
このフューエルインジェクタでは、インジェクタのケーシングと、該ケーシング内の燃料を外部に噴射するため該ケーシングに設けられた噴射ノズルと、前記ケーシングに変位可能に設けられ開弁時に該噴射ノズルから燃料を噴射させる弁体と、該弁体を駆動するため前記ケーシング内に設けられたアクチュエータとからなるフューエルインジェクタにおいて、前記噴射ノズルには、前記ケーシング内から流入する燃料に互いに独立した旋回流を発生させる複数の旋回流発生部と、該各旋回流発生部の流出側に位置し旋回流状態の燃料をそれぞれ予め決められた方向に噴射させる複数の噴射口（燃料噴射孔）を設けている。
【０００４】
この燃料噴射弁では、各噴射口から噴射された燃料の噴霧が一部で衝突するように、各噴射口の中心軸を噴射ノズルの中心軸に対して互いに外向きに傾けて形成する構成とし、各噴射口から噴射された燃料の微粒化を効果的に促進させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−３６４４９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来技術に示されている様に、弁座の下流端に連通する旋回用通路（燃料案内溝）に接続される旋回室（スワール穴）で、十分に安定した（周方向において旋回強さが均一になる）旋回燃料を燃料噴射孔（噴射口）より噴射させるためには、燃料噴射孔の出口部において、旋回流れを周方向（旋回方向）において均一にするための旋回室形状やその流路形状の工夫が必要になる。
【０００７】
特に、旋回用通路において流れ方向に直交する横断面形状が矩形形状で通路高さが低い場合では、旋回室内や燃料噴射孔において旋回強さの均一性を維持することが困難になる。
【０００８】
この様なケースでは、旋回用通路の横断面内における旋回室中心側の燃料が、外周側の燃料に対して旋回室内を十分に旋回しないまま燃料噴射孔に流入することが主要因となり、旋回強さが周方向において不均一になる。旋回強さが周方向において不均一になることにより、燃料噴霧の微粒化性能が低下する。
【０００９】
また、従来技術では旋回室の高さを十分確保することや、下流の燃料噴射口の入口に向かってテーパ状の円形穴を設けることにより、旋回流の均一性を向上している。しかし、この方法では、燃料を旋回室内で複数回旋回させることになり、燃料の旋回速度の損失が大きくなり、その分だけ微粒化性能が低下することが懸念される。
【００１０】
本発明は係る事情に鑑みてなされたものであり、簡単な構成で微粒化性能を向上できる燃料噴射弁を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために本発明の燃料噴射弁は、弁体と弁座とが離接するシート部の下流側に位置する旋回流発生部と、前記旋回流発生部の下流側に接続された燃料噴射孔とを備え、前記旋回流発生部に、横断面がインボリュート又はらせん形状に形成され底面に前記燃料噴射孔が開口する旋回室と、前記旋回室の上流側に接続され前記旋回室に燃料を導入する旋回用通路とを有する燃料噴射弁において、前記旋回流発生部の底面であって、旋回用通路から旋回室に流れ込む燃料と旋回室を旋回してきた燃料とが合流する部分の底面に、旋回用通路側の底面よりも燃料噴射孔が開口する側の底面の方が低くなるように、段差が設けられている。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によると、旋回流発生部内に形成した段差によって、旋回用通路より流入する燃料と旋回室を周回した燃料との合流流れがスムースに形成され、燃料噴射孔では対称で安定した損失のない旋回流れを生成できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料噴射弁の全体構成の断面図である。
【図２】第１の実施形態に係る燃料噴射弁におけるノズル体の下端部を拡大した断面図である。
【図３】第１の実施形態に係る燃料噴射弁におけるノズル体の下端部に位置するオリフィスプレートを下方より視た図である。
【図４】第１の実施形態に係る段差を説明するための図で、旋回室と旋回用通路と燃料噴射孔との関係を説明するための拡大図である。
【図５】図４のＡ−Ａ断面図であり、同様に旋回室と旋回用通路と燃料噴射孔との関係を説明するための図である。
【図６】第１の実施形態に係る旋回室内の流れの様子（速度ベクトル）を説明するための模式図である。
【図７】従来の実施形態に係る旋回室内の流れの様子（速度ベクトル）を説明するための模式図である。
【図８】本発明の第２の実施形態に係る燃料噴射弁におけるノズル体の下端部を拡大した断面図である。
【図９】本発明の第２の実施形態に係るスワールプレート示す図である。
【図１０】本発明の第２の実施形態に係るオリフィスプレートを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明に係る実施例では、燃料が流れる通路の中に、旋回用通路と旋回室とで構成される旋回流発生部を有しており、この旋回流発生部は燃料噴射孔の入口開口に連通接続されている。そして、この旋回流発生部の底面であって、旋回用通路の出口部分、すなわち旋回用通路から旋回室に流れ込む燃料と旋回室を旋回してきた燃料とが合流する部分の底面に、旋回用通路側の底面よりも燃料噴射孔が開口する側の底面の方が低くなるように、段差が設けられている。
【００１５】
この段差を形成する段差面は、旋回室の側壁の終端部から、旋回室側壁の底面側の一部分が、燃料噴射孔の入口開口面の縁に沿って、燃料噴射孔の入口開口面の縁との間に間隔を有して延設されるように形成され、旋回室の側壁面（内周壁面）の始端部側に接続されている。段差面と燃料噴射孔の入口開口面の縁との間隔は一定である必要はない。例えば、燃料噴射弁の中心軸線に直交する旋回室の横断面がインボリュート又はらせん形状に形成されている場合、段差面を、旋回室側壁面（周壁面）の終端部からインボリュート又はらせんの中心側に描かれる延長線に沿って形成してもよいし、或いはその外側の範囲の底面部に形成してもよい。このとき、旋回室側壁面（周壁面）の終端部から下流側に向けて離れる側に、段差面と燃料噴射孔の入口開口面の縁との間隔が広がる部分を設けてもよい。
【００１６】
段差のない状態では、旋回室の側壁と旋回用通路の側壁とが接続される部分の直近で、旋回用通路から旋回室に流入する燃料が、旋回用通路によって指向された方向への流れを維持することなく、燃料噴射孔に向けて流れの向きを変える。このため、旋回用通路から旋回室に流入し、燃料噴射孔に向けて流れの向きを変えた燃料が、旋回室の側壁面の下流側端部（終端）の後流に、大きな角度をもって衝突することになる。その結果、旋回室を十分に旋回しないまま燃料噴射孔側に向かう偏流が誘引され、旋回エネルギーを十分に獲得できない燃料流れができるばかりでなく、旋回室を旋回してきた燃料を巻き込んで燃料噴射孔に流入することにより、周方向（旋回方向）に不均一な燃料噴霧が形成されることになる。
【００１７】
旋回用通路から旋回室に流入し燃料噴射孔に向けて流れの向きを変える燃料の流れを第一の燃料流と呼び、旋回室を旋回してきた燃料の流れであって、旋回室の側壁面（周壁面）の下流側端部（終端部）の後流を第二の燃料流と呼ぶことにする。
【００１８】
旋回室の側壁（旋回室の横断面がインボリュート又はらせん形状に形成される場合はインボリュート又はらせん形状に沿って形成される周壁）と旋回用通路の側壁とが接続される部分の先端は、加工限界或いは強度的な観点から、実質的な厚みを持つことになり、第二の燃料流に対して旋回用通路から旋回室に流れ込む燃料を接線方向に合流させることは困難である。すなわち、第一の燃料流を生じることになる。旋回室の側壁と旋回用通路の側壁とが接続される部分の厚さが厚くなるほど、旋回用通路から旋回室に流入する燃料が旋回室を旋回してきた燃料に対して、より大きな角度をもって衝突することになる。
【００１９】
段差を設けることによって、第二の燃料流は、段差部を流れる流れが第一の燃料流と衝突することなく、第一の燃料流の下側を流れて旋回方向への流れを継続できる。さらに、第二の燃料流が旋回方向への流れを継続することにより、第二の燃料流の上を流れて燃料噴射孔に向かおうとする第一の燃料流を旋回方向に誘引する。その結果、第一の燃料流も旋回方向への流れを回復することができる。
【００２０】
上記したように、旋回室側壁面（周壁面）の終端部から下流側に向けて離れる側に、段差面と燃料噴射孔の入口開口面の縁との間隔が広がる部分を設けることにより、第二の燃料流の流線の方向を、強制的に燃料噴射孔に向けることなく、燃料噴射孔の入口開口縁に平行にするか、むしろ入口開口縁の曲率よりも大きな曲率を描くようにすることができる。これにより、第二の燃料流の上を流れて燃料噴射孔に向かおうとする第一の燃料流を旋回方向に誘引することができ、第一の燃料流における旋回方向への流れを回復することができる。
【００２１】
これにより、燃料噴射孔の出口においては、周方向において均一な液膜（十分な旋回強さによって薄膜化されている）が形成されて燃料噴霧の微粒化を促進させることができる。
【００２２】
本発明の実施例について、図１乃至図１０を用いて以下説明する。
【実施例１】
【００２３】
本発明に係る燃料噴射弁の第１の実施例について、図１乃至図７を参照しながら以下詳細に説明する。
【００２４】
図１は、第１の実施例に係る燃料噴射弁の中心軸線に平行な縦断面図である。図２は、図１の特に下流端側の燃料噴射孔近傍を拡大した縦断面図である。図３は、オリフィスプレートを出口側から見た図である。図４は、旋回用通路と旋回室と燃料噴射孔との関係を示すオリフィスプレートの部分上面図である。図５は図４のＡ−Ａ断面図である。また、図６は、旋回室内の流れの状態を速度ベクトルで示した図である。図７は、段差を設けない場合の旋回室内の流れの状態を速度ベクトルで示した図である。
【００２５】
図１において、燃料噴射弁１は、電磁コイル９を取り囲む磁性体のヨーク６と、電磁コイル９の中心に位置し、鍔部７ａがヨーク６と接触したコア７と、所定量リフトする弁体３と、この弁体３に接する弁座面１０と、弁体３と弁座面１０との隙間を通って流れる燃料の通過を許す燃料噴射室２と、燃料噴射室２の下流に複数個の燃料噴射孔２３ａ、２３ｂを有するオリフィスプレート２０とを備えている。
【００２６】
また、コア７の中心には、弁体３を弁座面１０に押圧する弾性部材（付勢部材）としてのスプリング８が設けられている。
【００２７】
電磁コイル９に通電されていない状態では、弁体３と弁座面１０とが密着している。この状態では弁体３と弁座面１０との間の燃料通路が閉じられているため、燃料は燃料噴射弁１内部に留まり、複数個設けられている燃料噴射孔２３ａ、２３ｂからの燃料噴射は行われない。
【００２８】
一方、電磁コイル９に通電されると、電磁力によって弁体３の鍔部３ａがストローク量を規定するストッパ１２に接触するまで移動する。ストッパ１２を設けず、アンカ１３の上端面がコア７の下端面と接触するようにしてもよい。
【００２９】
この開弁状態では弁体３と弁座面１０の間に隙間ができるため、燃料通路が開かれて複数個の燃料噴射孔２３ａ、２３ｂから燃料が噴射される。
【００３０】
なお、通路５はコア７内に設けた燃料通路であり、図示しない燃料ポンプにより加圧された燃料を燃料噴射弁１内に導く通路である。
【００３１】
燃料噴射弁１の動作は、上述したように、電磁コイル９への通電（噴射パルス）に伴って、弁体３の位置を開弁状態と閉弁状態とに切り替えることで、燃料の供給量を制御している。
【００３２】
燃料供給量の制御にあたっては、特に、閉弁状態では燃料漏れがない弁体設計が施されている。
【００３３】
この種の燃料噴射弁では、弁体３に真円度が高く鏡面仕上げが施されているボール３ｂ（ＪＩＳ規格品の玉軸受用鋼球）を用いておりシート性の向上に有益である。
【００３４】
一方、ボール３ｂが密着する弁座面１０の弁座角は、研磨性が良好で真円度を高精度にできる最適な角度（８０゜〜１００゜）であり、上述したボール３ｂとのシート性を極めて高く維持できるものである。
【００３５】
なお、弁座面１０を有するノズル体４は、焼入れによって硬度が高められており、また、脱磁処理により無用な磁気が除去されている。
【００３６】
このような弁体３の構成により、燃料漏れのない噴射量制御を可能としている。加えて、コストパホーマンスに優れた弁体構造としている。
【００３７】
図２を用いて、ノズル体４の下流側（燃料噴射孔側）端部の構成を説明する。ノズル体４には、その下端面に、段差部２４ａ、２４ｂを有するオリフィスプレート２０がレーザ溶接にて固着されている。
【００３８】
ノズル体４の下端部には、弁座面１０のシート径Ｄｓより縮径の燃料導入孔１１が設けられている。
【００３９】
燃料導入孔１１は、オリフィスプレート２０に設けられた燃料の旋回用通路２１ａ、２１ｂと連通している。
【００４０】
段差部２４ａ、２４ｂは、旋回用通路２１ａ、２１ｂと連通する旋回室２２ａ、２２ｂ内に設けられ、旋回用通路２１ａ、２１ｂの底面から一段下がって燃料噴射孔２３ａ、２３ｂが形成された旋回室２２ａ、２２ｂの底面側で深くなるようにステップ状に形成されている。
【００４１】
旋回室２２ａ、２２ｂの径方向（燃料噴射弁の中心軸線に直交する方向）の広がりを区画する側壁面（周壁面）はインボリュート又はらせん形状に成形されており、旋回室２２ａ、２２ｂの中心（インボリュート中心又はらせん中心）には燃料噴射孔２３ａ、２３ｂがそれぞれ開口している。
【００４２】
段差部２４ａ、２４ｂは、旋回用通路２１ａ、２１ｂと旋回室２２ａ、２２ｂ、と燃料噴射孔２３ａ、２３ｂと共に、一つの部材で形成されたオリフィスプレートに形成されている。
【００４３】
このため、ノズル体４とオリフィスプレート２０との位置決めが簡単且つ容易に実施され組み合わせ時の寸法精度が高められている。
【００４４】
また、オリフィスプレート２０は量産性に有利なプレス成形（塑性加工）により製作される。なお、この方法以外に、放電加工や電鋳法、エッチング加工など比較的応力のかからない加工精度の高い方法が考えられる。
【００４５】
なお、本実施例では燃料の旋回室は２個設けているが、さらに増加させることにより、噴霧の形状や噴射量のバリエーションの自由度を高めることができる。
【００４６】
次に、オリフィスプレート２０の構成について、図３乃至図７を用いて詳細に説明する。
【００４７】
図３は、図２を下方（燃料噴射孔２３ａ、２３ｂの出口側）から見た図である。
【００４８】
弁座面１０の中央に設けられた燃料導入孔１１の下流端には複数（本実施例では２つ）の旋回用通路２１ａ、２１ｂが接続されている。
【００４９】
旋回用通路２１ａは旋回室２２ａの接線方向に連通開口しており、旋回室２２ａの中心部に燃料噴射孔２３ａが開口している。
【００５０】
旋回室２２ａはインボリュート又はらせん形状を成しており、インボリュート又はらせん形状の渦中心と燃料噴射孔２３ａの中心が一致している。尚、以下の説明では、旋回室２２ａがらせん形状を成しているものとして説明する。
【００５１】
段差部２４ａは旋回室２２ａと旋回用通路２１ａとの接続部の近傍に、燃料噴射孔２３ａの入口開口が形成された旋回室２２ａの底面と旋回用通路２１ａの底面とが高さｈｓの段差を有するように形成されている。
【００５２】
同様に、旋回用通路２１ｂが旋回室２２ｂの接線方向に連通開口しており、旋回室２２ｂの中心部に燃料噴射孔２３ｂが開口している。
【００５３】
旋回室２２ｂはインボリュート又はらせん形状を成しており、インボリュート又はらせん形状の渦中心に燃料噴射孔２３ｂの中心が一致している。尚、以下の説明では、旋回室２２ａがらせん形状を成しているものとして説明する。
【００５４】
段差部２４ｂは旋回室２２ｂと旋回用通路２１ｂとの接続部の近傍に、燃料噴射孔２３ｂの入口開口が形成された旋回室２２ｂの底面と旋回用通路２１ｂの底面とが高さｈｓの段差を有するように形成されている。
【００５５】
燃料噴射孔２３ａ、２３ｂの開口方向（燃料の流出方向）は、本実施例では噴射弁軸と平行で下方に向かうようになっているが、所望方向に傾斜させて噴霧を拡散（各々の噴霧を遠ざけて干渉を抑制する）させる構成としても良い。
【００５６】
図４及び図５を用いて、段差部２４ｂを有する旋回室２２ｂの設計方法について述べる。旋回用通路２１ａ及び旋回室２２ａと旋回用通路２１ｂ及び旋回室２２ｂとはそれぞれ燃料通路の中にあって旋回流発生部を構成しており、各旋回流発生部は燃料噴射孔２３ａ、２３ｂの入口開口にそれぞれ連通接続されている。各旋回流発生部及び燃料噴射孔２３ａ、２３ｂは燃料噴射弁の中心軸線に対して対称形を成している。従って、以下の説明においては、旋回用通路２１ａ、旋回室２２ａ及び燃料噴射孔２３ａと旋回用通路２１ｂ、旋回室２２ｂ及び燃料噴射孔２３ｂとを区別せず、旋回用通路２１、旋回室２２及び燃料噴射孔２３として説明する。
【００５７】
旋回用通路２１の流れ方向に直交する横断面は矩形（長方形）であり、プレス成形に有利な寸法に設計されている。特に、旋回用通路２１の幅Ｗに比べて高さＨＳを小さくすることで加工性を有利にしている。
【００５８】
旋回用通路２１に流入する燃料はこの矩形部が絞り（最小断面積）となっているため、弁座面１０から燃料噴射室２、燃料導入孔１１を経てこの旋回用通路２１に至るまでの圧力損失は無視できるように設計されている。
【００５９】
特に、燃料導入孔１１は急激な曲がり圧損が生じないよう、所望大きさの燃料通路となるように設計している。
【００６０】
従って、燃料の圧力エネルギーがこの旋回用通路２１部分で効率的に旋回速度エネルギー変換されるようになっている。
【００６１】
また、この矩形部で加速された流れは十分な旋回強さ、いわゆる旋回速度エネルギーを維持しつつ、下流の燃料噴射孔２３に導かれる。
【００６２】
燃料の旋回強さ（スワール数Ｓ）は式（１）で示される。
【００６３】
【数１】
【００６４】
【数２】
【００６５】
ここに、ｄは燃料噴射孔の直径、ＬＳは旋回用通路２１の中心線と旋回室２２の中心間距離、ｎは旋回用通路の個数で本実施例では１個である。
【００６６】
また、ｄｓは旋回用通路を水力直径に換算したもので、式（２）で示され、Ｗは旋回用通路の幅、ＨＳは旋回用通路２１の高さである。
【００６７】
ここに、旋回室２２の大きさは、燃料流れによる摩擦損失や室内壁での摩擦損失の影響が極力小さくなるように、その直径ＤＳが決められている。本実施例では、旋回室２２はらせん形状を成しているため、直径ＤＳはらせん曲線の端部ＴＳとらせん中心Ｏとの距離の２倍の数値となる（図４）。このＤＳは、らせんの基準円の直径に等しい。
【００６８】
また、その大きさは水力直径ｄｓの４倍から６倍程度が最適値とされており、本実施例でもこの方法を適用している。
【００６９】
段差部２４は旋回室２２の側壁面２２ｓｗと旋回用通路２１の側壁面２１ｓｗの接続部に形成される。
【００７０】
この接続部は、厚み２５を持っており、その大きさは０.１ミリメートル程度、もしくは、それより小さくなる様に設計されている。この大きさはプレス加工において型寿命を延ばす等の有利な寸法である。また、加工限界或いは強度的な観点から、実質的に厚みを持つことになる。
【００７１】
また、段差部２４は旋回室２２の終端部（厚み２５の位置）ＴＥから直線的に延びた後、曲率Ｒの曲面を介して滑らかに旋回室２２の側壁面２２ｓｗに接続される。すなわち、段差部２４を構成する段差面は、直線的に延びた直線状壁面部２４ｓと曲率Ｒの曲面部２４ｒとを有する。直線状壁面部２４ｓに平行で燃料噴射孔２３の中心を通る線分が燃料噴射孔２３と交わる点を第一の点２３ｃ、第一の点２３ｃから直線状壁面部２４ｓがなす直線に下ろした垂線が直線と交わる点を第二の点２４ｃとする。このとき、直線状壁面部２４ｓは第二の点２４ｃを越える位置まで設けられている。
【００７２】
段差部２４について、さらに説明しておく。段差部２４を形成する段差面は、旋回室２２の側壁２２ｓｗの終端部ＴＥから、旋回室側壁２２ｓｗの底面２２ｌ（２２ａｌ、２２ｂｌ）側の一部分が、燃料噴射孔２３の入口開口面の縁に沿って、燃料噴射孔２３の入口開口面の縁との間に間隔を有して延設されるように形成され、旋回室２２の側壁面（内周壁面）２２ｓｗの始端部側に接続されている。旋回室２２の側壁面２２ｓｗと段差部２４の段差面とで燃料噴射孔２３の入口開口面を取り囲んでいる。段差面と燃料噴射孔２３の入口開口面の縁との間隔は一定である必要はない。例えば、燃料噴射弁の中心軸線に直交する旋回室２２の横断面がインボリュート又はらせん形状に形成されている場合、段差面を、旋回室側壁面（周壁面）２２ｓｗの終端部ＴＥからインボリュート又はらせんの中心Ｏ側に描かれる延長線に沿って形成してもよいし、或いはその外側の範囲の底面部に形成してもよい。このとき、旋回室側壁面（周壁面）２２ｓｗの終端部ＴＥから下流側に向けて離れる側に、段差面と燃料噴射孔２３の入口開口面の縁との間隔が広がる部分を設けてもよい。終端部ＴＥにおける間隔ｗ1と点２４ｄにおける間隔ｗ2と点２４ｅにおける間隔ｗ3とは、ｗ2＜ｗ1＜ｗ3の関係になっている。
【００７３】
段差を設けることによって、第二の燃料流（旋回室側壁面２２ｓｗの終端部ＴＥの後流）は、段差部を流れる流れが第一の燃料流（旋回用通路から旋回室に流入し燃料噴射孔に向けて流れの向きを変える燃料の流れを第一の燃料流）と衝突することなく、第一の燃料流の下側を流れて旋回方向への流れを継続できる。さらに、第二の燃料流が旋回方向への流れを継続することにより、第二の燃料流の上を流れて燃料噴射孔２３に向かおうとする第一の燃料流を旋回方向に誘引する。その結果、第一の燃料流も旋回方向への流れを回復することができる。
【００７４】
上記したように、旋回室側壁面（周壁面）の終端部から下流側に向けて離れる側に、段差面と燃料噴射孔の入口開口面の縁との間隔ｗが広がる部分２４ｅ（間隔ｗ3）を設けることにより、第二の燃料流の流線の方向を、強制的に燃料噴射孔２３に向けることなく、燃料噴射孔２３の入口開口縁に平行にするか、むしろ入口開口縁の曲率よりも大きな曲率を描く方向にすることができる。これにより、第二の燃料流の上を流れて燃料噴射孔２３に向かおうとする第一の燃料流を旋回方向に誘引することができ、第一の燃料流における旋回方向への流れを回復することができる。
【００７５】
これにより、燃料噴射孔の出口においては、周方向において均一な液膜（十分な旋回強さによって薄膜化されている）が形成されて燃料噴霧の微粒化を促進させることができる。
【００７６】
尚、曲率Ｒの大きさは０.１から０.２ミリメートル程度に設計されており、壁面近くに渦の生成もなくスムースな流れが形成される。
【００７７】
また、この段差部２４の高さは旋回用通路２１の高さＨＳの約半分程度に設計されている（０.０７ミリメートル程度）。
【００７８】
燃料噴射孔２３の直径は十分大きい。これは内部に形成される空洞を十分大きくするために作用する。いわゆる、ここでの旋回速度エネルギーを損失することなく噴射燃料の薄膜化に作用させることができる。また、燃料噴射孔２３はその長さＬが旋回室２２の高さＨと同じにしてあり、長さＬと燃料噴射孔の直径Ｄとの比Ｌ／Ｄを小さくしているので、旋回速度エネルギーの損失も極めて小さい。もって、燃料の微粒化特性が極めて優れることになる。
【００７９】
さらに、燃料噴射孔２３ｂの長さに対する噴射孔直径の比が小さいのでプレス加工性が向上している。
【００８０】
この様な構成ではコスト低減効果は勿論であるが、加工性の向上によって寸法バラツキが抑えられるので、噴霧形状や噴射量のロバスト性が格段に向上する。
【００８１】
図６及び図７は、旋回室２２内の燃料流れの可視化を行ったもので、速度ベクトルの大きさとその向きで流れの様子を表現している。
【００８２】
図６は段差部２４を設けた場合の燃料流れの可視化結果で、図７は段差がない場合の燃料流れの可視化結果である。
【００８３】
まず、図７に示す流れを観察すると、厚み２５の後流に発生する渦流によって、この部位の圧力が周辺に対して下がることにより、旋回用通路２１から流入した燃料は速度ベクトル２７で示す様に、燃料噴射孔２３側に急峻に曲げられて、周回する流れと大きな角度をもって衝突する。
【００８４】
この衝突により、旋回室２２内に強い偏った流れが発生して直ちに燃料噴射孔２３に流入する。
【００８５】
結果として、燃料噴射孔２３においては、図の右側より左側において、より強い流れが多く発生している。
【００８６】
この流れを模擬して示した、図中の太線の矢印２８（一点鎖線）で顕著に示されるが、燃料噴射孔２３の中心（らせんの渦中心）に対して非対称な流れが形成されている。
【００８７】
これによって、燃料噴射孔２３の内部に形成される空洞（キャビティ）は非対称な形状になっている。いわゆる、燃料噴射孔２３の出口部では噴射燃料の液膜分布が不均一になる。
【００８８】
一方、図６に示す流れを観察すると、旋回用通路２１から流入し旋回室２２内を周回した燃料は、段差部２４の壁面によってその流れがガイドされ、旋回室２２を旋回してきた流れと、旋回用通路２１から旋回室２２に流入し厚み２５によって生じた圧力低下の影響を受けて流れの向きを燃料噴射孔２３に向けて急峻に変えた流れとの衝突が回避され、燃料噴射孔２３に向かう偏った旋回流れを発生していない。
【００８９】
同様に、図の矢印２６で示しているが、燃料噴射孔２３近傍では対称（周方向に均一）な流れが形成されている。
【００９０】
その結果、燃料噴射孔２３の内部に形成される空洞は対称な形状になる。いわゆる、燃料噴射孔２３の出口部では燃料の液膜分布は均一に形成されている。
【００９１】
また、燃料の液膜分布が周方向に均一化されることにより、同時に、従来例に比して薄膜化されている。この様な薄膜状の燃料噴霧は、周囲空気とのエネルギー交換が活発となるので、分裂が促進されて微粒化の良い噴霧となる。
【実施例２】
【００９２】
本発明に係る燃料噴射弁の第２の実施例について、図８乃至図１０を参照して以下詳細に説明する。図８は、図２と同様に、下流端側の燃料噴射孔近傍を拡大した縦断面図である。図９はスワールプレート３０を説明する平面図で、図１０はオリフィスプレート４０を説明する平面図である。
【００９３】
第１の実施例に係る燃料噴射弁と異なる点は、図２のオリフィスプレート２０をスワールプレート３０とオリフィスプレート４０の２分割構造にしたという点である。
【００９４】
スワールプレート３０は旋回用通路３１ａ、３１ｂと旋回室３２ａ、３２ｂとを有する薄板状の部材であり、鋼板製である。
【００９５】
オリフィスプレート４０は旋回室４２ａ、４２ｂと燃料噴射孔４３ａ、４３ｂとを有する薄板状の部材であり、鋼板製である。
【００９６】
旋回室３２ａ、３２ｂと旋回室４２ａ、４２ｂとは下流側に位置する旋回室４２ａ、４２ｂの方が旋回室３２ａ、３２ｂよりもやや大きくなるように設計されている。
【００９７】
特に、スワールプレート３０の旋回用通路３１ａ、３１ｂは、前述したように、燃料通路の最小面積部となるので、ばらつきなく生産することが必要になる。
【００９８】
２分割構造としたことによって、スワールプレート３０のプレス加工が容易となることで生産が安定し、個体ばらつきが抑えられてロバスト性の高い噴射ノズル体とすることができる。
【００９９】
スワールプレート３０には、らせん曲線を有する旋回室３２ａ、３２ｂに連通する旋回用通路３１ａ、３１ｂが設けられており、その流れ態様は第１の実施例と同様である。
【０１００】
また、オリフィスプレート４０では、旋回室４２ａ、４２ｂの壁面部の一部が、第１の実施例の段差部２４（２４ａ、２４ｂ）と同様の段差部４１ａ、４１ｂを形成する壁面部を構成しており、それぞれの段差部４１ａ、４１ｂを形成する壁面部から次第に曲率が大きくなるらせん壁面（スワールプレート３０のらせん曲線と同様）を形成している。
【０１０１】
また、らせん曲線の中心（渦中心）部には、燃料噴射孔４３ａ、４３ｂが形成されている。
【０１０２】
図８に戻って、ノズル体４の下端部にはスワールプレート３０、オリフィスプレート４０の順で重ねられ、外周部位をレーザ溶接することによりノズル体４に固着されている。
【０１０３】
この実施例において、好ましくは、前述したように、スワールプレート３０の旋回室３２ａ、３２ｂに対してオリフィスプレート４０の旋回室４２ａ、４２ｂをやや大きく形成することであり、これによって、レーザ溶接時の熱変形による位置ずれを吸収できる。
【０１０４】
また、２分割構造としているので、レーザ溶接時の熱がスワールプレート３０に伝わり難くなるので旋回用通路３１ａ、３１ｂへの熱変形が抑制され、より精度の高い噴射が可能となる。
【０１０５】
また、燃料噴射弁の静的噴射流量を最小絞りとなるスワールプレート３０によって調整することが可能となる、すなわち、予め生産されている物の中から選択勘合することによって流量調整が可能となる。
【０１０６】
また、スワールプレート３０を非金属材とすることや、ノズル体に一体成形することなど、生産性の向上に関する工夫を盛り込むことができる。
【０１０７】
以上説明したように、本発明の各実施例にかかる燃料噴射弁は、旋回室内に段差部位を設けることにより、複数の燃料噴射孔からそれぞれ旋回燃料を噴射する際に、各々噴射燃料の対称性を確保して均一な薄膜を形成することにより微粒化を促進させるというものである。
【０１０８】
この段差は、旋回室と旋回用通路との接続部にあって、燃料噴射孔が形成された旋回室の底面と旋回用通路の底面とが段差を有するように形成している。
【０１０９】
旋回室に流入した燃料は、この段差部位の壁面によりガイドされ周回する燃料との衝突が回避される。以って、旋回室内及び燃料噴射孔内において周方向に均一な旋回流れが形成されて燃料の薄膜化が促進される。
【０１１０】
このように均一に薄膜化した燃料噴霧は、周囲空気とのエネルギー交換が活発に行われるので、分裂が促進されて微粒化の良い噴霧となる。
【０１１１】
また、プレス加工を容易にした設計諸元としたことで、コストパホーマンスに優れた安価な燃料噴射弁とすることができる。
【符号の説明】
【０１１２】
１ 燃料噴射弁
３ 弁体
４ ノズル体
５ 燃料通路
１０ 弁座面
１１ 燃料導入孔
２０、４０ オリフィスプレート
２１、２１ａ、２１ｂ、３１ａ、３１ｂ 旋回用通路
２２、２２ａ、２２ｂ、４２ａ、４２ｂ 旋回室
２３、２３ａ、２３ｂ、４３ａ、４３ｂ 燃料噴射孔
２４、２４ａ、２４ｂ、４１ａ、４１ｂ 段差部
３０ スワールプレート
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関で使用される燃料噴射弁に係り、特に、複数個の燃料噴射孔を有し、各々の燃料噴射孔より旋回燃料を噴射して微粒化性能を向上させ得る燃料噴射弁に関する。
【背景技術】
【０００２】
複数個の燃料噴射孔から旋回燃料を噴射して、燃料の微粒化を促進する従来技術として、特許文献１に記載されたフューエルインジェクタが知られている。
【０００３】
このフューエルインジェクタでは、インジェクタのケーシングと、該ケーシング内の燃料を外部に噴射するため該ケーシングに設けられた噴射ノズルと、前記ケーシングに変位可能に設けられ開弁時に該噴射ノズルから燃料を噴射させる弁体と、該弁体を駆動するため前記ケーシング内に設けられたアクチュエータとからなるフューエルインジェクタにおいて、前記噴射ノズルには、前記ケーシング内から流入する燃料に互いに独立した旋回流を発生させる複数の旋回流発生部と、該各旋回流発生部の流出側に位置し旋回流状態の燃料をそれぞれ予め決められた方向に噴射させる複数の噴射口（燃料噴射孔）を設けている。
【０００４】
この燃料噴射弁では、各噴射口から噴射された燃料の噴霧が一部で衝突するように、各噴射口の中心軸を噴射ノズルの中心軸に対して互いに外向きに傾けて形成する構成とし、各噴射口から噴射された燃料の微粒化を効果的に促進させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−３６４４９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来技術に示されている様に、弁座の下流端に連通する旋回用通路（燃料案内溝）に接続される旋回室（スワール穴）で、十分に安定した（周方向において旋回強さが均一になる）旋回燃料を燃料噴射孔（噴射口）より噴射させるためには、燃料噴射孔の出口部において、旋回流れを周方向（旋回方向）において均一にするための旋回室形状やその流路形状の工夫が必要になる。
【０００７】
特に、旋回用通路において流れ方向に直交する横断面形状が矩形形状で通路高さが低い場合では、旋回室内や燃料噴射孔において旋回強さの均一性を維持することが困難になる。
【０００８】
この様なケースでは、旋回用通路の横断面内における旋回室中心側の燃料が、外周側の燃料に対して旋回室内を十分に旋回しないまま燃料噴射孔に流入することが主要因となり、旋回強さが周方向において不均一になる。旋回強さが周方向において不均一になることにより、燃料噴霧の微粒化性能が低下する。
【０００９】
また、従来技術では旋回室の高さを十分確保することや、下流の燃料噴射口の入口に向かってテーパ状の円形穴を設けることにより、旋回流の均一性を向上している。しかし、この方法では、燃料を旋回室内で複数回旋回させることになり、燃料の旋回速度の損失が大きくなり、その分だけ微粒化性能が低下することが懸念される。
【００１０】
本発明は係る事情に鑑みてなされたものであり、簡単な構成で微粒化性能を向上できる燃料噴射弁を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために本発明の燃料噴射弁は、弁体と弁座とが離接するシート部の下流側に位置する旋回流発生部と、前記旋回流発生部の下流側に接続された燃料噴射孔とを備え、前記旋回流発生部に、横断面がインボリュート又はらせん形状に形成され底面に前記燃料噴射孔が開口する旋回室と、前記旋回室の上流側に接続され前記旋回室に燃料を導入する旋回用通路とを有する燃料噴射弁において、前記旋回流発生部の底面であって、旋回用通路から旋回室に流れ込む燃料と旋回室を旋回してきた燃料とが合流する部分の底面に、旋回用通路側の底面よりも燃料噴射孔が開口する側の底面の方が低くなるように、段差が設けられている。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によると、旋回流発生部内に形成した段差によって、旋回用通路より流入する燃料と旋回室を周回した燃料との合流流れがスムースに形成され、燃料噴射孔では対称で安定した損失のない旋回流れを生成できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料噴射弁の全体構成の断面図である。
【図２】第１の実施形態に係る燃料噴射弁におけるノズル体の下端部を拡大した断面図である。
【図３】第１の実施形態に係る燃料噴射弁におけるノズル体の下端部に位置するオリフィスプレートを下方より視た図である。
【図４】第１の実施形態に係る段差を説明するための図で、旋回室と旋回用通路と燃料噴射孔との関係を説明するための拡大図である。
【図５】図４のＡ−Ａ断面図であり、同様に旋回室と旋回用通路と燃料噴射孔との関係を説明するための図である。
【図６】第１の実施形態に係る旋回室内の流れの様子（速度ベクトル）を説明するための模式図である。
【図７】従来の実施形態に係る旋回室内の流れの様子（速度ベクトル）を説明するための模式図である。
【図８】本発明の第２の実施形態に係る燃料噴射弁におけるノズル体の下端部を拡大した断面図である。
【図９】本発明の第２の実施形態に係るスワールプレート示す図である。
【図１０】本発明の第２の実施形態に係るオリフィスプレートを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明に係る実施例では、燃料が流れる通路の中に、旋回用通路と旋回室とで構成される旋回流発生部を有しており、この旋回流発生部は燃料噴射孔の入口開口に連通接続されている。そして、この旋回流発生部の底面であって、旋回用通路の出口部分、すなわち旋回用通路から旋回室に流れ込む燃料と旋回室を旋回してきた燃料とが合流する部分の底面に、旋回用通路側の底面よりも燃料噴射孔が開口する側の底面の方が低くなるように、段差が設けられている。
【００１５】
この段差を形成する段差面は、旋回室の側壁の終端部から、旋回室側壁の底面側の一部分が、燃料噴射孔の入口開口面の縁に沿って、燃料噴射孔の入口開口面の縁との間に間隔を有して延設されるように形成され、旋回室の側壁面（内周壁面）の始端部側に接続されている。段差面と燃料噴射孔の入口開口面の縁との間隔は一定である必要はない。例えば、燃料噴射弁の中心軸線に直交する旋回室の横断面がインボリュート又はらせん形状に形成されている場合、段差面を、旋回室側壁面（周壁面）の終端部からインボリュート又はらせんの中心側に描かれる延長線に沿って形成してもよいし、或いはその外側の範囲の底面部に形成してもよい。このとき、旋回室側壁面（周壁面）の終端部から下流側に向けて離れる側に、段差面と燃料噴射孔の入口開口面の縁との間隔が広がる部分を設けてもよい。
【００１６】
段差のない状態では、旋回室の側壁と旋回用通路の側壁とが接続される部分の直近で、旋回用通路から旋回室に流入する燃料が、旋回用通路によって指向された方向への流れを維持することなく、燃料噴射孔に向けて流れの向きを変える。このため、旋回用通路から旋回室に流入し、燃料噴射孔に向けて流れの向きを変えた燃料が、旋回室の側壁面の下流側端部（終端）の後流に、大きな角度をもって衝突することになる。その結果、旋回室を十分に旋回しないまま燃料噴射孔側に向かう偏流が誘引され、旋回エネルギーを十分に獲得できない燃料流れができるばかりでなく、旋回室を旋回してきた燃料を巻き込んで燃料噴射孔に流入することにより、周方向（旋回方向）に不均一な燃料噴霧が形成されることになる。
【００１７】
旋回用通路から旋回室に流入し燃料噴射孔に向けて流れの向きを変える燃料の流れを第一の燃料流と呼び、旋回室を旋回してきた燃料の流れであって、旋回室の側壁面（周壁面）の下流側端部（終端部）の後流を第二の燃料流と呼ぶことにする。
【００１８】
旋回室の側壁（旋回室の横断面がインボリュート又はらせん形状に形成される場合はインボリュート又はらせん形状に沿って形成される周壁）と旋回用通路の側壁とが接続される部分の先端は、加工限界或いは強度的な観点から、実質的な厚みを持つことになり、第二の燃料流に対して旋回用通路から旋回室に流れ込む燃料を接線方向に合流させることは困難である。すなわち、第一の燃料流を生じることになる。旋回室の側壁と旋回用通路の側壁とが接続される部分の厚さが厚くなるほど、旋回用通路から旋回室に流入する燃料が旋回室を旋回してきた燃料に対して、より大きな角度をもって衝突することになる。
【００１９】
段差を設けることによって、第二の燃料流は、段差部を流れる流れが第一の燃料流と衝突することなく、第一の燃料流の下側を流れて旋回方向への流れを継続できる。さらに、第二の燃料流が旋回方向への流れを継続することにより、第二の燃料流の上を流れて燃料噴射孔に向かおうとする第一の燃料流を旋回方向に誘引する。その結果、第一の燃料流も旋回方向への流れを回復することができる。
【００２０】
上記したように、旋回室側壁面（周壁面）の終端部から下流側に向けて離れる側に、段差面と燃料噴射孔の入口開口面の縁との間隔が広がる部分を設けることにより、第二の燃料流の流線の方向を、強制的に燃料噴射孔に向けることなく、燃料噴射孔の入口開口縁に平行にするか、むしろ入口開口縁の曲率よりも大きな曲率を描くようにすることができる。これにより、第二の燃料流の上を流れて燃料噴射孔に向かおうとする第一の燃料流を旋回方向に誘引することができ、第一の燃料流における旋回方向への流れを回復することができる。
【００２１】
これにより、燃料噴射孔の出口においては、周方向において均一な液膜（十分な旋回強さによって薄膜化されている）が形成されて燃料噴霧の微粒化を促進させることができる。
【００２２】
本発明の実施例について、図１乃至図１０を用いて以下説明する。
【実施例１】
【００２３】
本発明に係る燃料噴射弁の第１の実施例について、図１乃至図７を参照しながら以下詳細に説明する。
【００２４】
図１は、第１の実施例に係る燃料噴射弁の中心軸線に平行な縦断面図である。図２は、図１の特に下流端側の燃料噴射孔近傍を拡大した縦断面図である。図３は、オリフィスプレートを出口側から見た図である。図４は、旋回用通路と旋回室と燃料噴射孔との関係を示すオリフィスプレートの部分上面図である。図５は図４のＡ−Ａ断面図である。また、図６は、旋回室内の流れの状態を速度ベクトルで示した図である。図７は、段差を設けない場合の旋回室内の流れの状態を速度ベクトルで示した図である。
【００２５】
図１において、燃料噴射弁１は、電磁コイル９を取り囲む磁性体のヨーク６と、電磁コイル９の中心に位置し、鍔部７ａがヨーク６と接触したコア７と、所定量リフトする弁体３と、この弁体３に接する弁座面１０と、弁体３と弁座面１０との隙間を通って流れる燃料の通過を許す燃料噴射室２と、燃料噴射室２の下流に複数個の燃料噴射孔２３ａ、２３ｂを有するオリフィスプレート２０とを備えている。
【００２６】
また、コア７の中心には、弁体３を弁座面１０に押圧する弾性部材（付勢部材）としてのスプリング８が設けられている。
【００２７】
電磁コイル９に通電されていない状態では、弁体３と弁座面１０とが密着している。この状態では弁体３と弁座面１０との間の燃料通路が閉じられているため、燃料は燃料噴射弁１内部に留まり、複数個設けられている燃料噴射孔２３ａ、２３ｂからの燃料噴射は行われない。
【００２８】
一方、電磁コイル９に通電されると、電磁力によって弁体３の鍔部３ａがストローク量を規定するストッパ１２に接触するまで移動する。ストッパ１２を設けず、アンカ１３の上端面がコア７の下端面と接触するようにしてもよい。
【００２９】
この開弁状態では弁体３と弁座面１０の間に隙間ができるため、燃料通路が開かれて複数個の燃料噴射孔２３ａ、２３ｂから燃料が噴射される。
【００３０】
なお、通路５はコア７内に設けた燃料通路であり、図示しない燃料ポンプにより加圧された燃料を燃料噴射弁１内に導く通路である。
【００３１】
燃料噴射弁１の動作は、上述したように、電磁コイル９への通電（噴射パルス）に伴って、弁体３の位置を開弁状態と閉弁状態とに切り替えることで、燃料の供給量を制御している。
【００３２】
燃料供給量の制御にあたっては、特に、閉弁状態では燃料漏れがない弁体設計が施されている。
【００３３】
この種の燃料噴射弁では、弁体３に真円度が高く鏡面仕上げが施されているボール３ｂ（ＪＩＳ規格品の玉軸受用鋼球）を用いておりシート性の向上に有益である。
【００３４】
一方、ボール３ｂが密着する弁座面１０の弁座角は、研磨性が良好で真円度を高精度にできる最適な角度（８０゜〜１００゜）であり、上述したボール３ｂとのシート性を極めて高く維持できるものである。
【００３５】
なお、弁座面１０を有するノズル体４は、焼入れによって硬度が高められており、また、脱磁処理により無用な磁気が除去されている。
【００３６】
このような弁体３の構成により、燃料漏れのない噴射量制御を可能としている。加えて、コストパホーマンスに優れた弁体構造としている。
【００３７】
図２を用いて、ノズル体４の下流側（燃料噴射孔側）端部の構成を説明する。ノズル体４には、その下端面に、段差部２４ａ、２４ｂを有するオリフィスプレート２０がレーザ溶接にて固着されている。
【００３８】
ノズル体４の下端部には、弁座面１０のシート径Ｄｓより縮径の燃料導入孔１１が設けられている。
【００３９】
燃料導入孔１１は、オリフィスプレート２０に設けられた燃料の旋回用通路２１ａ、２１ｂと連通している。
【００４０】
段差部２４ａ、２４ｂは、旋回用通路２１ａ、２１ｂと連通する旋回室２２ａ、２２ｂ内に設けられ、旋回用通路２１ａ、２１ｂの底面から一段下がって燃料噴射孔２３ａ、２３ｂが形成された旋回室２２ａ、２２ｂの底面側で深くなるようにステップ状に形成されている。
【００４１】
旋回室２２ａ、２２ｂの径方向（燃料噴射弁の中心軸線に直交する方向）の広がりを区画する側壁面（周壁面）はインボリュート又はらせん形状に成形されており、旋回室２２ａ、２２ｂの中心（インボリュート中心又はらせん中心）には燃料噴射孔２３ａ、２３ｂがそれぞれ開口している。
【００４２】
段差部２４ａ、２４ｂは、旋回用通路２１ａ、２１ｂと旋回室２２ａ、２２ｂ、と燃料噴射孔２３ａ、２３ｂと共に、一つの部材で形成されたオリフィスプレートに形成されている。
【００４３】
このため、ノズル体４とオリフィスプレート２０との位置決めが簡単且つ容易に実施され組み合わせ時の寸法精度が高められている。
【００４４】
また、オリフィスプレート２０は量産性に有利なプレス成形（塑性加工）により製作される。なお、この方法以外に、放電加工や電鋳法、エッチング加工など比較的応力のかからない加工精度の高い方法が考えられる。
【００４５】
なお、本実施例では燃料の旋回室は２個設けているが、さらに増加させることにより、噴霧の形状や噴射量のバリエーションの自由度を高めることができる。
【００４６】
次に、オリフィスプレート２０の構成について、図３乃至図７を用いて詳細に説明する。
【００４７】
図３は、図２を下方（燃料噴射孔２３ａ、２３ｂの出口側）から見た図である。
【００４８】
弁座面１０の中央に設けられた燃料導入孔１１の下流端には複数（本実施例では２つ）の旋回用通路２１ａ、２１ｂが接続されている。
【００４９】
旋回用通路２１ａは旋回室２２ａの接線方向に連通開口しており、旋回室２２ａの中心部に燃料噴射孔２３ａが開口している。
【００５０】
旋回室２２ａはインボリュート又はらせん形状を成しており、インボリュート又はらせん形状の渦中心と燃料噴射孔２３ａの中心が一致している。尚、以下の説明では、旋回室２２ａがらせん形状を成しているものとして説明する。
【００５１】
段差部２４ａは旋回室２２ａと旋回用通路２１ａとの接続部の近傍に、燃料噴射孔２３ａの入口開口が形成された旋回室２２ａの底面と旋回用通路２１ａの底面とが高さｈｓの段差を有するように形成されている。
【００５２】
同様に、旋回用通路２１ｂが旋回室２２ｂの接線方向に連通開口しており、旋回室２２ｂの中心部に燃料噴射孔２３ｂが開口している。
【００５３】
旋回室２２ｂはインボリュート又はらせん形状を成しており、インボリュート又はらせん形状の渦中心に燃料噴射孔２３ｂの中心が一致している。尚、以下の説明では、旋回室２２ａがらせん形状を成しているものとして説明する。
【００５４】
段差部２４ｂは旋回室２２ｂと旋回用通路２１ｂとの接続部の近傍に、燃料噴射孔２３ｂの入口開口が形成された旋回室２２ｂの底面と旋回用通路２１ｂの底面とが高さｈｓの段差を有するように形成されている。
【００５５】
燃料噴射孔２３ａ、２３ｂの開口方向（燃料の流出方向）は、本実施例では噴射弁軸と平行で下方に向かうようになっているが、所望方向に傾斜させて噴霧を拡散（各々の噴霧を遠ざけて干渉を抑制する）させる構成としても良い。
【００５６】
図４及び図５を用いて、段差部２４ｂを有する旋回室２２ｂの設計方法について述べる。旋回用通路２１ａ及び旋回室２２ａと旋回用通路２１ｂ及び旋回室２２ｂとはそれぞれ燃料通路の中にあって旋回流発生部を構成しており、各旋回流発生部は燃料噴射孔２３ａ、２３ｂの入口開口にそれぞれ連通接続されている。各旋回流発生部及び燃料噴射孔２３ａ、２３ｂは燃料噴射弁の中心軸線に対して対称形を成している。従って、以下の説明においては、旋回用通路２１ａ、旋回室２２ａ及び燃料噴射孔２３ａと旋回用通路２１ｂ、旋回室２２ｂ及び燃料噴射孔２３ｂとを区別せず、旋回用通路２１、旋回室２２及び燃料噴射孔２３として説明する。
【００５７】
旋回用通路２１の流れ方向に直交する横断面は矩形（長方形）であり、プレス成形に有利な寸法に設計されている。特に、旋回用通路２１の幅Ｗに比べて高さＨＳを小さくすることで加工性を有利にしている。
【００５８】
旋回用通路２１に流入する燃料はこの矩形部が絞り（最小断面積）となっているため、弁座面１０から燃料噴射室２、燃料導入孔１１を経てこの旋回用通路２１に至るまでの圧力損失は無視できるように設計されている。
【００５９】
特に、燃料導入孔１１は急激な曲がり圧損が生じないよう、所望大きさの燃料通路となるように設計している。
【００６０】
従って、燃料の圧力エネルギーがこの旋回用通路２１部分で効率的に旋回速度エネルギー変換されるようになっている。
【００６１】
また、この矩形部で加速された流れは十分な旋回強さ、いわゆる旋回速度エネルギーを維持しつつ、下流の燃料噴射孔２３に導かれる。
【００６２】
燃料の旋回強さ（スワール数Ｓ）は式（１）で示される。
【００６３】
【数１】
【００６４】
【数２】
【００６５】
ここに、ｄは燃料噴射孔の直径、ＬＳは旋回用通路２１の中心線と旋回室２２の中心間距離、ｎは旋回用通路の個数で本実施例では１個である。
【００６６】
また、ｄｓは旋回用通路を水力直径に換算したもので、式（２）で示され、Ｗは旋回用通路の幅、ＨＳは旋回用通路２１の高さである。
【００６７】
ここに、旋回室２２の大きさは、燃料流れによる摩擦損失や室内壁での摩擦損失の影響が極力小さくなるように、その直径ＤＳが決められている。本実施例では、旋回室２２はらせん形状を成しているため、直径ＤＳはらせん曲線の端部ＴＳとらせん中心Ｏとの距離の２倍の数値となる（図４）。このＤＳは、らせんの基準円の直径に等しい。
【００６８】
また、その大きさは水力直径ｄｓの４倍から６倍程度が最適値とされており、本実施例でもこの方法を適用している。
【００６９】
段差部２４は旋回室２２の側壁面２２ｓｗと旋回用通路２１の側壁面２１ｓｗの接続部に形成される。
【００７０】
この接続部は、厚み２５を持っており、その大きさは０.１ミリメートル程度、もしくは、それより小さくなる様に設計されている。この大きさはプレス加工において型寿命を延ばす等の有利な寸法である。また、加工限界或いは強度的な観点から、実質的に厚みを持つことになる。
【００７１】
また、段差部２４は旋回室２２の終端部（厚み２５の位置）ＴＥから直線的に延びた後、曲率Ｒの曲面を介して滑らかに旋回室２２の側壁面２２ｓｗに接続される。すなわち、段差部２４を構成する段差面は、直線的に延びた直線状壁面部２４ｓと曲率Ｒの曲面部２４ｒとを有する。直線状壁面部２４ｓに平行で燃料噴射孔２３の中心を通る線分が燃料噴射孔２３と交わる点を第一の点２３ｃ、第一の点２３ｃから直線状壁面部２４ｓがなす直線に下ろした垂線が直線と交わる点を第二の点２４ｃとする。このとき、直線状壁面部２４ｓは第二の点２４ｃを越える位置まで設けられている。
【００７２】
段差部２４について、さらに説明しておく。段差部２４を形成する段差面は、旋回室２２の側壁２２ｓｗの終端部ＴＥから、旋回室側壁２２ｓｗの底面２２ｌ（２２ａｌ、２２ｂｌ）側の一部分が、燃料噴射孔２３の入口開口面の縁に沿って、燃料噴射孔２３の入口開口面の縁との間に間隔を有して延設されるように形成され、旋回室２２の側壁面（内周壁面）２２ｓｗの始端部側に接続されている。旋回室２２の側壁面２２ｓｗと段差部２４の段差面とで燃料噴射孔２３の入口開口面を取り囲んでいる。段差面と燃料噴射孔２３の入口開口面の縁との間隔は一定である必要はない。例えば、燃料噴射弁の中心軸線に直交する旋回室２２の横断面がインボリュート又はらせん形状に形成されている場合、段差面を、旋回室側壁面（周壁面）２２ｓｗの終端部ＴＥからインボリュート又はらせんの中心Ｏ側に描かれる延長線に沿って形成してもよいし、或いはその外側の範囲の底面部に形成してもよい。このとき、旋回室側壁面（周壁面）２２ｓｗの終端部ＴＥから下流側に向けて離れる側に、段差面と燃料噴射孔２３の入口開口面の縁との間隔が広がる部分を設けてもよい。終端部ＴＥにおける間隔ｗ1と点２４ｄにおける間隔ｗ2と点２４ｅにおける間隔ｗ3とは、ｗ2＜ｗ1＜ｗ3の関係になっている。
【００７３】
段差を設けることによって、第二の燃料流（旋回室側壁面２２ｓｗの終端部ＴＥの後流）は、段差部を流れる流れが第一の燃料流（旋回用通路から旋回室に流入し燃料噴射孔に向けて流れの向きを変える燃料の流れを第一の燃料流）と衝突することなく、第一の燃料流の下側を流れて旋回方向への流れを継続できる。さらに、第二の燃料流が旋回方向への流れを継続することにより、第二の燃料流の上を流れて燃料噴射孔２３に向かおうとする第一の燃料流を旋回方向に誘引する。その結果、第一の燃料流も旋回方向への流れを回復することができる。
【００７４】
上記したように、旋回室側壁面（周壁面）の終端部から下流側に向けて離れる側に、段差面と燃料噴射孔の入口開口面の縁との間隔ｗが広がる部分２４ｅ（間隔ｗ3）を設けることにより、第二の燃料流の流線の方向を、強制的に燃料噴射孔２３に向けることなく、燃料噴射孔２３の入口開口縁に平行にするか、むしろ入口開口縁の曲率よりも大きな曲率を描く方向にすることができる。これにより、第二の燃料流の上を流れて燃料噴射孔２３に向かおうとする第一の燃料流を旋回方向に誘引することができ、第一の燃料流における旋回方向への流れを回復することができる。
【００７５】
これにより、燃料噴射孔の出口においては、周方向において均一な液膜（十分な旋回強さによって薄膜化されている）が形成されて燃料噴霧の微粒化を促進させることができる。
【００７６】
尚、曲率Ｒの大きさは０.１から０.２ミリメートル程度に設計されており、壁面近くに渦の生成もなくスムースな流れが形成される。
【００７７】
また、この段差部２４の高さは旋回用通路２１の高さＨＳの約半分程度に設計されている（０.０７ミリメートル程度）。
【００７８】
燃料噴射孔２３の直径は十分大きい。これは内部に形成される空洞を十分大きくするために作用する。いわゆる、ここでの旋回速度エネルギーを損失することなく噴射燃料の薄膜化に作用させることができる。また、燃料噴射孔２３はその長さＬが旋回室２２の高さＨと同じにしてあり、長さＬと燃料噴射孔の直径Ｄとの比Ｌ／Ｄを小さくしているので、旋回速度エネルギーの損失も極めて小さい。もって、燃料の微粒化特性が極めて優れることになる。
【００７９】
さらに、燃料噴射孔２３ｂの長さに対する噴射孔直径の比が小さいのでプレス加工性が向上している。
【００８０】
この様な構成ではコスト低減効果は勿論であるが、加工性の向上によって寸法バラツキが抑えられるので、噴霧形状や噴射量のロバスト性が格段に向上する。
【００８１】
図６及び図７は、旋回室２２内の燃料流れの可視化を行ったもので、速度ベクトルの大きさとその向きで流れの様子を表現している。
【００８２】
図６は段差部２４を設けた場合の燃料流れの可視化結果で、図７は段差がない場合の燃料流れの可視化結果である。
【００８３】
まず、図７に示す流れを観察すると、厚み２５の後流に発生する渦流によって、この部位の圧力が周辺に対して下がることにより、旋回用通路２１から流入した燃料は速度ベクトル２７で示す様に、燃料噴射孔２３側に急峻に曲げられて、周回する流れと大きな角度をもって衝突する。
【００８４】
この衝突により、旋回室２２内に強い偏った流れが発生して直ちに燃料噴射孔２３に流入する。
【００８５】
結果として、燃料噴射孔２３においては、図の右側より左側において、より強い流れが多く発生している。
【００８６】
この流れを模擬して示した、図中の太線の矢印２８（一点鎖線）で顕著に示されるが、燃料噴射孔２３の中心（らせんの渦中心）に対して非対称な流れが形成されている。
【００８７】
これによって、燃料噴射孔２３の内部に形成される空洞（キャビティ）は非対称な形状になっている。いわゆる、燃料噴射孔２３の出口部では噴射燃料の液膜分布が不均一になる。
【００８８】
一方、図６に示す流れを観察すると、旋回用通路２１から流入し旋回室２２内を周回した燃料は、段差部２４の壁面によってその流れがガイドされ、旋回室２２を旋回してきた流れと、旋回用通路２１から旋回室２２に流入し厚み２５によって生じた圧力低下の影響を受けて流れの向きを燃料噴射孔２３に向けて急峻に変えた流れとの衝突が回避され、燃料噴射孔２３に向かう偏った旋回流れを発生していない。
【００８９】
同様に、図の矢印２６で示しているが、燃料噴射孔２３近傍では対称（周方向に均一）な流れが形成されている。
【００９０】
その結果、燃料噴射孔２３の内部に形成される空洞は対称な形状になる。いわゆる、燃料噴射孔２３の出口部では燃料の液膜分布は均一に形成されている。
【００９１】
また、燃料の液膜分布が周方向に均一化されることにより、同時に、従来例に比して薄膜化されている。この様な薄膜状の燃料噴霧は、周囲空気とのエネルギー交換が活発となるので、分裂が促進されて微粒化の良い噴霧となる。
【実施例２】
【００９２】
本発明に係る燃料噴射弁の第２の実施例について、図８乃至図１０を参照して以下詳細に説明する。図８は、図２と同様に、下流端側の燃料噴射孔近傍を拡大した縦断面図である。図９はスワールプレート３０を説明する平面図で、図１０はオリフィスプレート４０を説明する平面図である。
【００９３】
第１の実施例に係る燃料噴射弁と異なる点は、図２のオリフィスプレート２０をスワールプレート３０とオリフィスプレート４０の２分割構造にしたという点である。
【００９４】
スワールプレート３０は旋回用通路３１ａ、３１ｂと旋回室３２ａ、３２ｂとを有する薄板状の部材であり、鋼板製である。
【００９５】
オリフィスプレート４０は旋回室４２ａ、４２ｂと燃料噴射孔４３ａ、４３ｂとを有する薄板状の部材であり、鋼板製である。
【００９６】
旋回室３２ａ、３２ｂと旋回室４２ａ、４２ｂとは下流側に位置する旋回室４２ａ、４２ｂの方が旋回室３２ａ、３２ｂよりもやや大きくなるように設計されている。
【００９７】
特に、スワールプレート３０の旋回用通路３１ａ、３１ｂは、前述したように、燃料通路の最小面積部となるので、ばらつきなく生産することが必要になる。
【００９８】
２分割構造としたことによって、スワールプレート３０のプレス加工が容易となることで生産が安定し、個体ばらつきが抑えられてロバスト性の高い噴射ノズル体とすることができる。
【００９９】
スワールプレート３０には、らせん曲線を有する旋回室３２ａ、３２ｂに連通する旋回用通路３１ａ、３１ｂが設けられており、その流れ態様は第１の実施例と同様である。
【０１００】
また、オリフィスプレート４０では、旋回室４２ａ、４２ｂの壁面部の一部が、第１の実施例の段差部２４（２４ａ、２４ｂ）と同様の段差部４１ａ、４１ｂを形成する壁面部を構成しており、それぞれの段差部４１ａ、４１ｂを形成する壁面部から次第に曲率が大きくなるらせん壁面（スワールプレート３０のらせん曲線と同様）を形成している。
【０１０１】
また、らせん曲線の中心（渦中心）部には、燃料噴射孔４３ａ、４３ｂが形成されている。
【０１０２】
図８に戻って、ノズル体４の下端部にはスワールプレート３０、オリフィスプレート４０の順で重ねられ、外周部位をレーザ溶接することによりノズル体４に固着されている。
【０１０３】
この実施例において、好ましくは、前述したように、スワールプレート３０の旋回室３２ａ、３２ｂに対してオリフィスプレート４０の旋回室４２ａ、４２ｂをやや大きく形成することであり、これによって、レーザ溶接時の熱変形による位置ずれを吸収できる。
【０１０４】
また、２分割構造としているので、レーザ溶接時の熱がスワールプレート３０に伝わり難くなるので旋回用通路３１ａ、３１ｂへの熱変形が抑制され、より精度の高い噴射が可能となる。
【０１０５】
また、燃料噴射弁の静的噴射流量を最小絞りとなるスワールプレート３０によって調整することが可能となる、すなわち、予め生産されている物の中から選択勘合することによって流量調整が可能となる。
【０１０６】
また、スワールプレート３０を非金属材とすることや、ノズル体に一体成形することなど、生産性の向上に関する工夫を盛り込むことができる。
【０１０７】
以上説明したように、本発明の各実施例にかかる燃料噴射弁は、旋回室内に段差部位を設けることにより、複数の燃料噴射孔からそれぞれ旋回燃料を噴射する際に、各々噴射燃料の対称性を確保して均一な薄膜を形成することにより微粒化を促進させるというものである。
【０１０８】
この段差は、旋回室と旋回用通路との接続部にあって、燃料噴射孔が形成された旋回室の底面と旋回用通路の底面とが段差を有するように形成している。
【０１０９】
旋回室に流入した燃料は、この段差部位の壁面によりガイドされ周回する燃料との衝突が回避される。以って、旋回室内及び燃料噴射孔内において周方向に均一な旋回流れが形成されて燃料の薄膜化が促進される。
【０１１０】
このように均一に薄膜化した燃料噴霧は、周囲空気とのエネルギー交換が活発に行われるので、分裂が促進されて微粒化の良い噴霧となる。
【０１１１】
また、プレス加工を容易にした設計諸元としたことで、コストパホーマンスに優れた安価な燃料噴射弁とすることができる。
【符号の説明】
【０１１２】
１ 燃料噴射弁
３ 弁体
４ ノズル体
５ 燃料通路
１０ 弁座面
１１ 燃料導入孔
２０、４０ オリフィスプレート
２１、２１ａ、２１ｂ、３１ａ、３１ｂ 旋回用通路
２２、２２ａ、２２ｂ、４２ａ、４２ｂ 旋回室
２３、２３ａ、２３ｂ、４３ａ、４３ｂ 燃料噴射孔
２４、２４ａ、２４ｂ、４１ａ、４１ｂ 段差部
３０ スワールプレート
【特許請求の範囲】
【請求項１】
弁体と弁座とが離接するシート部の下流側に位置する旋回流発生部と、前記旋回流発生部の下流側に接続された燃料噴射孔とを備え、前記旋回流発生部に、横断面がインボリュート又はらせん形状に形成され底面に前記燃料噴射孔が開口する旋回室と、前記旋回室の上流側に接続され前記旋回室に燃料を導入する旋回用通路とを有する燃料噴射弁において、
前記旋回流発生部の底面であって、旋回用通路から旋回室に流れ込む燃料と旋回室を旋回してきた燃料とが合流する部分の底面に、旋回用通路側の底面よりも燃料噴射孔が開口する側の底面の方が低くなるように、段差が設けられていることを特徴とする燃料噴射弁。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料噴射弁において、
前記段差を形成する段差面は、インボリュート又はらせん曲線を描く旋回室の内周壁面の終端部から、燃料噴射孔の入口開口の縁に沿って、燃料噴射孔の入口開口の縁との間に間隔を有するようにして延設されていることを特徴とする燃料噴射弁。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料噴射弁において、
前記段差面と前記入口開口の縁との間隔は、前記終端部における間隔ｗ1に対して前記段差面の延設方向に前記終端部から離れた部分における間隔ｗ3が広く形成されていることを特徴とする燃料噴射弁。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料噴射弁において、
前記段差面は、前記内周壁面の始端部側に接続されていることを特徴とすることを特徴とする燃料噴射弁。
【請求項５】
請求項４に記載の燃料噴射弁において、
前記段差面の、前記内周壁面の前記始端部側に接続される端部に、所定の曲率を有する曲面部が設けられていることを特徴とする燃料噴射弁。
【請求項６】
請求項５に記載の燃料噴射弁において、
前記段差面は、前記終端部と前記曲面部との間に、直線状に形成された直線部を有することを特徴とする燃料噴射弁。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか一項に記載の燃料噴射弁において、
前記段差面の高さ寸法は、前記旋回用通路の高さ寸法より小さいことを特徴とする燃料噴射弁。
【請求項１】
弁体と弁座とが離接するシート部の下流側に位置する旋回流発生部と、前記旋回流発生部の下流側に接続された燃料噴射孔とを備え、前記旋回流発生部に、横断面がインボリュート又はらせん形状に形成され底面に前記燃料噴射孔が開口する旋回室と、前記旋回室の上流側に接続され前記旋回室に燃料を導入する旋回用通路とを有する燃料噴射弁において、
前記旋回流発生部の底面であって、旋回用通路から旋回室に流れ込む燃料と旋回室を旋回してきた燃料とが合流する部分の底面に、旋回用通路側の底面よりも燃料噴射孔が開口する側の底面の方が低くなるように、段差が設けられていることを特徴とする燃料噴射弁。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料噴射弁において、
前記段差を形成する段差面は、インボリュート又はらせん曲線を描く旋回室の内周壁面の終端部から、燃料噴射孔の入口開口の縁に沿って、燃料噴射孔の入口開口の縁との間に間隔を有するようにして延設されていることを特徴とする燃料噴射弁。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料噴射弁において、
前記段差面と前記入口開口の縁との間隔は、前記終端部における間隔ｗ1に対して前記段差面の延設方向に前記終端部から離れた部分における間隔ｗ3が広く形成されていることを特徴とする燃料噴射弁。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料噴射弁において、
前記段差面は、前記内周壁面の始端部側に接続されていることを特徴とすることを特徴とする燃料噴射弁。
【請求項５】
請求項４に記載の燃料噴射弁において、
前記段差面の、前記内周壁面の前記始端部側に接続される端部に、所定の曲率を有する曲面部が設けられていることを特徴とする燃料噴射弁。
【請求項６】
請求項５に記載の燃料噴射弁において、
前記段差面は、前記終端部と前記曲面部との間に、直線状に形成された直線部を有することを特徴とする燃料噴射弁。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか一項に記載の燃料噴射弁において、
前記段差面の高さ寸法は、前記旋回用通路の高さ寸法より小さいことを特徴とする燃料噴射弁。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１３−２４１７６（Ｐ２０１３−２４１７６Ａ）
【公開日】平成２５年２月４日（２０１３．２．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１６１５４０（Ｐ２０１１−１６１５４０）
【出願日】平成２３年７月２５日（２０１１．７．２５）
【出願人】（５０９１８６５７９）日立オートモティブシステムズ株式会社 (2,205)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月４日（２０１３．２．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月２５日（２０１１．７．２５）
【出願人】（５０９１８６５７９）日立オートモティブシステムズ株式会社 (2,205)
【Ｆターム（参考）】
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