(57)【要約】【課題】噴孔の出口開口部近傍へのデポジットの堆積を抑制する燃料噴射弁を提供する。【解決手段】燃料噴射弁１００は、複数の噴孔１１を有するハウジング１０と、ハウジング内でリフト可能に設けられたニードル弁２０とを備え、複数の噴孔１１は入口開口部１１ａが互いに最も近接する２つの噴孔１１を含む噴孔ペア１を構成し、各噴孔ペア１における２つの噴孔１１はＬｐ≦３．０Ｄを満たすように配置され、噴孔ペア１の一方の入口開口部１１ａとこれに２番目に近接する入口開口部１１ａとは、Ｌｎ≧４．０Ｄを満たし且つこの２番目に近接する入口開口部１１ａに流入する燃料の流れが一方の入口開口部１１ａに流入する燃料の流れに干渉して一方の入口開口部１１ａ全体を旋回するスワール流の形成が阻止されないように、互いに離間されて配置される。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料を噴射する複数の噴孔を先端部分に有し、弁座と前記複数の噴孔に燃料を導く燃料通路とを内側に有する筒状のハウジングと、
前記ハウジング内でリフト可能に設けられ、前記弁座から離間された離間状態と前記弁座に当接した当接状態との間で移動することにより前記燃料通路を開閉するニードル弁と、を備え、
前記ニードル弁が前記離間状態にあるときに前記燃料通路が開かれて燃料が前記複数の噴孔から噴射される燃料噴射弁であって、
前記複数の噴孔は、前記噴孔の上流側の端部である入口開口部が互いに最も近接する２つの噴孔をそれぞれ含む、少なくとも１つの噴孔ペアを構成し、
前記入口開口部の直径をＤとし、前記噴孔ペアにおける前記２つの噴孔の入口開口部の中心間の距離をＬｐとすると、各噴孔ペアにおける前記２つの噴孔は、Ｌｐ≦３．０Ｄを満たすように配置され、
前記噴孔ペアにおける前記２つの噴孔の入口開口部のうち一方の入口開口部の中心と、前記一方の入口開口部に２番目に近接する入口開口部の中心との間の距離をＬｎとすると、前記一方の入口開口部と前記２番目に近接する入口開口部とは、Ｌｎ≧４．０Ｄを満たし、且つ前記２番目に近接する入口開口部に流入する燃料の流れが前記一方の入口開口部に流入する燃料の流れに干渉して該一方の入口開口部全体を旋回するスワール流の形成が阻止されることのないように、互いに離間されて配置される、燃料噴射弁。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、燃料噴射弁に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、筒状のハウジングの先端に燃料を噴射する噴孔を形成し、当該噴孔を介して燃料を噴射する燃料噴射弁が知られている（例えば、特許文献１及び２参照）。特許文献１及び２に記載の燃料噴射弁では、ハウジング内にリフト可能に設けられたニードル弁のリフト動作に伴ってハウジング内の燃料通路が開閉されることにより、ハウジング内の燃料通路に高圧で充填された燃料が噴孔から噴射される。
【０００３】
このような燃料噴射弁では、燃料噴射後に噴孔の出口開口部近傍に燃料が付着して残留する場合がある。この残留した燃料は、酸化されて固着力をもつことによりデポジット化する。このデポジットが噴孔の出口開口部近傍に堆積すると、噴孔の出口開口部が狭まり、燃料の流れが妨げられる。その結果、例えば燃料の流量が低下して燃料噴射量が不足するなど、適切な燃料噴射が行われない場合がある。従って、燃料噴射弁では、斯かるデポジットの堆積を抑制することが重要である。
【０００４】
例えば、特許文献２に記載の燃料噴射弁では、燃料が噴孔を通過する際にカルマン渦の発生を促進するラッパ状の突出部が噴孔に設けられており、燃料噴射時にこのカルマン渦を積極的に発生させている。このカルマン渦により、噴孔の出口開口部近傍に付着した燃料の液滴が飛散され易くなることによって、斯かるデポジットの堆積を抑制している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−２７０６２８号公報
【特許文献２】特開２００８−０１９７７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、斯かる燃料噴射弁では、必ずしも十分にデポジットの堆積を抑制できるものではなかった。そのため、斯かるデポジットの堆積を抑制するための更なる手法が望まれている。
【０００７】
上記課題に鑑みて、本開示の目的は、従来とは異なる他の手法により、噴孔の出口開口部近傍へのデポジットの堆積を抑制する燃料噴射弁を提案することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本開示の要旨は、以下の通りである。
【０００９】
（１）燃料を噴射する複数の噴孔を先端部分に有し、弁座と前記複数の噴孔に燃料を導く燃料通路とを内側に有する筒状のハウジングと、前記ハウジング内でリフト可能に設けられ、前記弁座から離間された離間状態と前記弁座に当接した当接状態との間で移動することにより前記燃料通路を開閉するニードル弁と、を備え、前記ニードル弁が前記離間状態にあるときに前記燃料通路が開かれて燃料が前記複数の噴孔から噴射される燃料噴射弁であって、前記複数の噴孔は、前記噴孔の上流側の端部である入口開口部が互いに最も近接する２つの噴孔をそれぞれ含む、少なくとも１つの噴孔ペアを構成し、前記入口開口部の直径をＤとし、前記噴孔ペアにおける前記２つの噴孔の入口開口部の中心間の距離をＬｐとすると、各噴孔ペアにおける前記２つの噴孔は、Ｌｐ≦３．０Ｄを満たすように配置され、前記噴孔ペアにおける前記２つの噴孔の入口開口部のうち一方の入口開口部の中心と、前記一方の入口開口部に２番目に近接する入口開口部の中心との間の距離をＬｎとすると、前記一方の入口開口部と前記２番目に近接する入口開口部とは、Ｌｎ≧４．０Ｄを満たし、且つ前記２番目に近接する入口開口部に流入する燃料の流れが前記一方の入口開口部に流入する燃料の流れに干渉して該一方の入口開口部全体を旋回するスワール流の形成が阻止されることのないように、互いに離間されて配置される、燃料噴射弁。
【発明の効果】
【００１０】
本開示によれば、従来とは異なる他の手法により、噴孔の出口開口部近傍でのデポジットの堆積を抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、一実施形態に係る燃料噴射弁の断面構造を示す図である。
【図２】図２は、燃料噴射弁において想定される噴孔配置及びその噴孔における燃料の流線を例示する図である。
【図３】図３は、一実施形態に係る燃料噴射弁における噴孔配置及びその噴孔における燃料の流線を例示する図である。
【図４】図４は、噴孔ペアにおける２つの噴孔の入口開口部の中心間の距離Ｌｐとスワール流の発生との関係を示す図である。
【図５】図５は、噴孔ペアの一方の入口開口部の中心とこの一方の入口開口部に２番目に近接する入口開口部の中心との間の距離Ｌｎとスワール流の発生との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照して本実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同様な構成要素には同一の参照番号を付す。
【００１３】
＜実施形態＞
≪燃料噴射弁の全体構成≫
図１を用いて、本実施形態に係る燃料噴射弁の全体構成を説明する。図１は、本実施形態に係る燃料噴射弁の断面構造を示す図である。図１には、燃料を噴射する複数の噴孔１１が先端部分に形成された筒状のハウジング１０と、ハウジング１０内でリフト可能に設けられたニードル弁２０と、を備えた燃料噴射弁１００が示されている。本実施形態に係る燃料噴射弁１００は、内燃機関の燃焼室内に燃料を噴射するように設けられてもよいし、内燃機関の排気通路を流れる排気ガス中に燃料を噴射するように設けられてもよい。
【００１４】
ハウジング１０は、基本的に円筒状に形成されている。ハウジング１０は、燃料が充填供給された燃料通路１２と、ニードル弁２０の先端部分と当接可能に形成された弁座１３と、燃料通路１２から流入した燃料を複数の噴孔１１に導くサック部１４と、を内側に有する。噴孔１１は、上流側の端部である入口開口部１１ａと、下流側の端部である出口開口部１１ｂと、を有する。サック部１４は、ハウジング１０の内壁とニードル弁２０の先端部分とによって囲まれる例えば円柱形状を有する空間である。ハウジング１０において、サック部１４の下流側には、複数の噴孔１１の入口開口部１１ａが形成されている。本実施形態に係る燃料噴射弁１００では、ニードル弁２０が弁座１３から離間された離間状態とニードル弁２０が弁座１３に当接した当接状態との間でニードル弁２０が移動することにより、燃料通路１２を開閉することができる。
【００１５】
ニードル弁２０の先端部分よりも基端側に位置した部分には、ニードルガイド２１が設けられている。ニードルガイド２１は、ハウジング１０の内周面に摺接されるように構成されている。ニードルガイド２１は、ハウジング１０の内周面と摺接する摺接面２１ａと、ハウジング１０の内周面との間に隙間を形成するように構成された非摺接面２１ｂと、を有する。ニードル弁２０は、ニードルガイド２１の摺接面２１ａとハウジング１０の内周面との摺接によってハウジング１０に支持されている。
【００１６】
ハウジング１０の基端側には、筒状部材５０が設けられている。ハウジング１０の基端側から供給された燃料は、筒状部材５０内と、ハウジング１０の内周面と非摺接面２１ｂとの間に形成される隙間とを通って、燃料通路１２へ流入する。
【００１７】
ニードル弁２０の基端側には、コイルスプリング３０が設けられている。ニードル弁２０の基端部分は、コイルスプリング３０によって付勢される。これにより、通常時には、ニードル弁２０の先端部分は、ハウジング１０の弁座１３に当接して着座する。
【００１８】
ハウジング１０の内部には、ニードル弁２０をニードル弁２０の軸方向に移動させるように構成された電磁アクチュエータ４０が設けられている。電磁アクチュエータ４０は、磁性体からなるアーマチャ４１と、所定の通電に基づいてアーマチャ４１を吸引する電磁コイル４２と、を含む。アーマチャ４１は、ニードル弁２０においてニードルガイド２１よりも基端側に位置した部分に固定して設けられている。
【００１９】
ハウジング１０の外部には、電磁アクチュエータ４０を制御する制御装置４３が設けられている。制御装置４３は、電磁コイル４２への通電を制御するための制御信号を出力する。制御装置４３は、例えば、制御処理及び演算処理を行うＣＰＵと、各種プログラム及びデータを保存する記憶装置と、入力装置と、出力装置とを有するマイクロコンピュータとすることができる。制御装置４３は、電磁コイル４２への通電を制御することにより、ニードル弁２０の位置を制御することができる。電磁アクチュエータ４０では、電磁コイル４２への通電により電磁コイル４２が励磁されることによって、電磁コイル４２がアーマチャ４１に対して電磁吸引力を発生する。
【００２０】
弁座１３に着座しているニードル弁２０は、電磁アクチュエータ４０により発生された電磁吸引力により、コイルスプリング３０の付勢力に抗してリフト動作する。それにより、ニードル弁２０は、当接状態から離間状態に移動する。その結果、燃料通路１２は開かれた状態となる。ニードル弁２０が離間状態となることにより燃料通路１２が開かれた状態となると、ハウジング１０の燃料通路１２に充填供給されている燃料がサック部１４に流入して噴孔１１から噴射される。
【００２１】
燃料の噴射後、電磁コイル４２への通電の遮断に伴って電磁コイル４２が消磁された場合、ニードル弁２０は、コイルスプリング３０の付勢力によってハウジング１０の先端側に再び移動して弁座１３に着座する。それにより、ニードル弁２０は、離間状態から当接状態に移動する。その結果、燃料通路１２は閉じられた状態となる。ニードル弁２０が当接状態となることにより燃料通路１２が閉じられた状態となると、サック部１４への燃料の流入が停止し、燃料の噴射も停止する。
【００２２】
≪本実施形態に係る噴孔配置≫
次に、図２を参照して、本実施形態に係る燃料噴射弁における噴孔配置について説明する。図２はニードル弁側から見たときの本実施形態に係る燃料噴射弁における噴孔配置を示す図である。図２には、入口開口部１１ａが互いに最も近接する２つの噴孔１１をそれぞれ含む、少なくとも１つの噴孔ペア１（図２に示される例では、第一乃至第四噴孔ペア１W乃至１Z）が示されている。
【００２３】
以下、噴孔１１の入口開口部１１ａの直径をＤとし、噴孔ペア１における２つの噴孔１１の入口開口部１１ａの中心間の距離をＬｐとし、噴孔ペア１における２つの噴孔１１の入口開口部１１ａのうち一方の入口開口部１１ａの中心と、この一方の入口開口部１１ａに２番目に近接する入口開口部１１ａの中心との間の距離をＬｎとする。図２に示される第一噴孔ペア１Wを例にとると、第一乃至第四噴孔ペア１W乃至１Zの各々における一方の入口開口部及びその他方の入口開口部をそれぞれ一方の入口開口部１１ａ1及び他方の入口開口部１１ａ2とした場合、Ｌｐは、第一噴孔ペア１Wにおける一方の入口開口部１１ａ1の中心と他方の入口開口部１１ａ2の中心との間の距離である。また、Ｌｎは、第一噴孔ペア１Wにおける一方の入口開口部１１ａ1の中心と第二噴孔ペア１Xにおける他方の入口開口部１１ａ2の中心（上記２番目に近接する入口開口部１１ａの中心に対応）との間の距離である。
【００２４】
本実施形態では、この噴孔ペア１における２つの噴孔１１は、Ｌｐ≦３．０Ｄを満たすように配置される。また、本実施形態では、この一方の入口開口部１１ａと２番目に近接する入口開口部１１ａとは、Ｌｎ≧４．０Ｄを満たし、且つこの２番目に近接する入口開口部１１ａに流入する燃料の流れがこの一方の入口開口部１１ａに流入する燃料の流れに干渉して、この一方の噴孔の入口開口部１１ａ全体を旋回するスワール流の形成が阻止されることのないように、互いに離間されて配置されている。
【００２５】
図３は、本実施形態に係る噴孔ペアを構成する２つの噴孔の入口開口部における燃料の流線を例示する図である。図３には、噴孔ペア１における２つの噴孔１１の入口開口部１１ａが示されている。図３に示されるように、噴孔ペア１における２つの噴孔１１の入口開口部１１ａには、互いに逆回転方向且つ入口開口部１１ａ全体を旋回する大きなスワール流が発生している（この大きなスワール流が発生する原理については後述する）。この入口開口部１１ａ全体を旋回する大きなスワール流の流速は比較的大きいため、出口開口部１１ｂから燃料が噴射される際に、出口開口部１１ｂ近傍に燃料が付着しにくくなると共に、出口開口部１１ｂ近傍に付着した燃料の液滴を飛散させ易くなる。その結果、デポジットの堆積を抑制することが可能となる。
【００２６】
≪入口開口部の中心間の距離とスワール流との関係≫
次に、図４及び図５を用いて、噴孔ペアの各噴孔において図３に示されるようなスワール流を発生させるための条件について説明する。図４は、噴孔の入口開口部の中心間の距離Ｌｐとスワール流の発生との関係を示す図である。図４は、Ｌｐを変化させた場合に各噴孔の入口開口部に生じる燃料の流れを示している。図４に示される例では、図４に示される２つの噴孔以外には噴孔は設けられておらず、これら２つの噴孔における流れは互いの流れの干渉以外に干渉を受けていないものとする。
【００２７】
図４に示されるように、Ｌｐ＝３．２５及びＬｐ＝４．５の場合、各噴孔１１にはその入口開口部１１ａ全体を旋回するスワール流が発生していない。すなわち、Ｌｐ≧３．２５の場合、各噴孔１１にはその入口開口部１１ａ全体を旋回するスワール流が発生しないことがわかる。一方で、Ｌｐ＝１．５、Ｌｐ＝２．０、Ｌｐ＝２．２５、Ｌｐ＝２．５、Ｌｐ＝２．７５及びＬｐ＝３．０の場合、噴孔ペア１における２つの入口開口部１１ａには、互いに逆回転方向且つ各噴孔１１の入口開口部１１ａ全体を旋回するスワール流が発生している。すなわち、Ｌｐ≦３．０Ｄの場合、噴孔ペア１における２つの入口開口部１１ａに、互いに逆回転方向且つ各噴孔１１の入口開口部１１ａ全体を旋回するスワール流が発生することがわかる。従って、２つの噴孔１１の入口開口部１１ａに斯かるスワール流を発生させるためには、各噴孔ペア１における２つの噴孔１１は、Ｌｐ≦３．０Ｄを満たすように配置されることが必要であることがわかる。
【００２８】
図５は、噴孔ペアの一方の入口開口部の中心とこの一方の入口開口部に２番目に近接する入口開口部の中心との間の距離Ｌｎとスワール流の発生との関係を示す図である。図５は、噴孔ペアを構成する２つの噴孔（Ｌｐ＝１．５Ｄ）と、この噴孔ペアを構成しない他の噴孔とを配置してＬｎを変化させた場合に各噴孔の入口開口部に生じる燃料の流れを示している。
【００２９】
図５に示されるように、Ｌｎ＝２．０、Ｌｎ＝３．０、Ｌｎ＝３．５及びＬｎ＝３．７５の場合、噴孔ペア１における２つの入口開口部１１ａには、各噴孔１１の入口開口部１１ａ全体を旋回するスワール流が発生していない。すなわち、Ｌｎ≦３．７５Ｄの場合、噴孔ペア１における２つの入口開口部１１ａに、各噴孔１１の入口開口部１１ａ全体を旋回するスワール流が発生しないことがわかる。一方で、Ｌｎ＝４．０及びＬｎ＝４．５の場合、噴孔ペア１における２つの入口開口部１１ａには、互いに逆回転方向且つ各噴孔１１の入口開口部１１ａ全体を旋回するスワール流が発生している。すなわち、Ｌｐ≧４．０Ｄの場合、噴孔ペア１における２つの入口開口部１１ａに、２つの噴孔１１の入口開口部１１ａに互いに逆回転方向且つ各噴孔１１の入口開口部１１ａ全体を旋回するスワール流を発生することがわかる。従って、Ｌｐ＝１．５Ｄの場合、２つの噴孔１１の入口開口部１１ａに互いに逆回転方向且つ各噴孔１１の入口開口部１１ａ全体を旋回するスワール流を発生させるためには、各噴孔ペア１における２つの噴孔１１は、Ｌｎ≧４．０Ｄを満たすように配置されることが必要であることがわかる。
【００３０】
≪スワール流が発生する原理≫
次に、本実施形態において、２つの入口開口部１１ａに互いに逆回転方向且つ各入口開口部１１ａ全体を旋回するスワール流が発生する原理について説明する。本実施形態では、燃料通路１２が開かれた状態となると、燃料が燃料通路１２からサック部１４に流入する。サック部１４に流入した燃料を構成する流体粒子は、下流側の入口開口部１１ａに向けて流れていく。
【００３１】
ここで、サック部１４は、通常、ハウジング１０の軸線に対して回転対称に形成されている。この場合、サック部１４では、燃料の各流体粒子の角運動量の回転方向が一方向に偏りにくく、これら流体粒子がサック部１４全体として互いに打ち消し合うような角運動量を有することになる。そして、サック部１４全体では、これら流体粒子の角運動量の和は、ゼロに近いような小さい値になる。
【００３２】
ここで、仮に、複数の噴孔１１が互いに十分に離間されて配置されている場合について考える。この場合、サック部１４を流れる燃料が下流側の噴孔１１の入口開口部１１ａに流入する際、噴孔１１の入口開口部１１ａに流入する燃料の流れは、他の噴孔１１の入口開口部１１ａに流入する燃料の流れの干渉を受けない。このように他の噴孔で生じる燃料の流れの干渉がない場合、各噴孔１１の入口開口部１１ａでは、それぞれ独立に燃料の流れが生じる。そのため、１つの噴孔単位で、角運動量保存則が適用される。上述したように、サック部１４全体では各流体粒子の角運動量の和はゼロに近いような小さい値になるため、角運動量保存則より、１つの噴孔単位で、サック部１４の下流側に位置する入口開口部１１ａ及びその入口開口部１１ａの下流側に位置する出口開口部１１ｂを流れる流体粒子の角運動量の和はゼロに近いような小さい値になる。そして、噴孔１１の出口開口部１１ｂを流れる流体粒子の角運動量の和が小さい分、噴孔１１の出口開口部１１ｂから噴射されるときの燃料の流速も小さくなる。このように出口開口部１１ｂから噴射される燃料が十分な流速を得ることができない結果、噴孔１１の出口開口部１１ｂ近傍に付着した燃料の液滴は飛散されずに残留し、デポジットが堆積してしまう。
【００３３】
一方、本実施形態では、Ｌｐ≦３．０Ｄを満たすように噴孔ペア１の２つの噴孔１１を配置することにより、この噴孔ペア単位で、角運動量保存則が適用されるようになる。したがって、サック部１４全体における各流体粒子の角運動量は、角運動量保存則により、噴孔ペアにおける２つの噴孔１１の入口開口部１１ａにおいて保存される。そのため、これら入口開口部１１ａに流入する各流体粒子の角運動量の和は噴孔ペア全体でゼロに近いような小さい値になる。その結果、この噴孔ペアの２つの噴孔において角運動量を互いに打ち消し合うように、この噴孔ペアの２つの噴孔の各々で、互いに逆回転方向且つ噴孔の入口開口部全体を旋回するような大きなスワール流が発生する。この噴孔ペア全体では各流体粒子の角運動量の和は小さいものの、噴孔ペアにおける各噴孔では、１つの大きなスワール流が形成されるため、各流体粒子の角運動量の和は大きい。そして、各噴孔１１における各流体粒子の角運動量の和が大きい分、各噴孔１１から噴射されるときの燃料の流速も大きい。その結果、噴孔１１の出口開口部１１ｂ近傍に燃料が付着しにくくなると共に、出口開口部１１ｂ近傍に付着した燃料の液滴が飛散されやすくなるため、デポジットの堆積を抑制することが可能となる。
【００３４】
ここで、噴孔ペア１の２つの噴孔１１の各入口開口部１１ａを、その噴孔ペア１ではない他の噴孔１１の入口開口部１１ａに近づけすぎると、この他の噴孔１１の入口開口部１１ａにおける燃料の流れが噴孔ペア１の２つの噴孔１１の各入口開口部１１ａを流れる燃料の流れに干渉してしまう。この干渉により、噴孔ペア１の２つの噴孔１１においてスワール流の形成が阻害され、その結果、スワール流の形成が阻止される場合がある。
【００３５】
そこで、本実施形態では、噴孔ペア１の一方の入口開口部とこれに２番目に近接する入口開口部とは、Ｌｎ≧４．０Ｄを満たすことに加え、上記２番目に近接する入口開口部に流入する燃料の流れが上記一方の入口開口部に流入する燃料の流れに干渉して、上記一方の入口開口部全体を旋回するスワール流の形成が阻止されることのないように、互いに離間されている。
【００３６】
≪噴孔の入口開口部の中心間の距離≫
以上より、噴孔ペア１における２つの入口開口部１１ａに互いに逆回転方向且つ入口開口部１１ａ全体を旋回する大きなスワール流を発生させるためには、噴孔ペア１における２つの噴孔１１は、Ｌｐ≦３．０Ｄを満たすように配置され、この一方の入口開口部１１ａと２番目に近接する入口開口部１１ａとは、Ｌｎ≧４．０Ｄを満たし、且つこの２番目に近接する入口開口部１１ａに流入する燃料の流れがこの一方の入口開口部に流入する燃料の流れに干渉して、この一方の噴孔の入口開口部全体を旋回するスワール流の形成が阻止されることのないように、互いに離間されて配置される必要がある。
【００３７】
このように、本実施形態に係る燃料噴射弁１００によると、噴孔の出口開口部近傍でのデポジットの堆積を抑制することが可能となる。
【符号の説明】
【００３８】
１    噴孔ペア
１０    ハウジング
１１    噴孔
１２    燃料通路
１３    弁座
２０    ニードル弁
１００    燃料噴射弁
【図１】
2020076352.tif 000003
【図２】
2020076352.tif 000004
【図３】
2020076352.tif 000005
【図４】
2020076352.tif 000006
【図５】
2020076352.tif 000007