(57)【要約】【課題】キャビテーション気泡の液膜を積極的に破壊することができる燃料噴射弁を提供する。【解決手段】内燃機関１の燃料噴射弁１０は、スリット状の噴孔２０が、流入口２１から流出口２２に向かって徐々に流路面積を拡大させるように形成され、流出口２２には、上流から下流に向かって延びる複数の液膜カッター３５が互いに間隔Ｃを開けて一端から他端に亘って並べられており、複数の液膜カッター３５の各延長線３６の間隔が上流から下流に向かって拡大するように、複数の液膜カッター３５のそれぞれの向きが揃えられている。【選択図】図４Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ノズルボディに設けられたスリット状の噴孔から燃料を噴射する内燃機関の燃料噴射弁において、
前記噴孔は、流入口から流出口に向かって徐々に流路面積を拡大させるように形成され、
前記流出口には、上流から下流に向かって延びる複数の液膜カッターが互いに間隔を開けて一端から他端に亘って並べられており、
前記複数の液膜カッターの各延長線の間隔が上流から下流に向かって拡大するように、前記複数の液膜カッターのそれぞれの向きが揃えられている内燃機関の燃料噴射弁。
【請求項２】
前記複数の液膜カッターのそれぞれは、上流側の端部が上流に向かうに従って徐々に幅を狭めるように形成されており、下流側の端部が流線形状に形成されている請求項１に記載の内燃機関の燃料噴射弁。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ノズルボディに設けられた噴孔から燃料を噴射する内燃機関の燃料噴射弁に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料の微粒化を促進して燃料効率を高めるためにノズルボディの先端に設けられた噴孔で燃料にキャビテーションを発生させる燃料噴射弁が知られている。このような燃料噴射弁として、例えば、燃料通路から供給された燃料が流入する第１噴孔と、第１噴孔から流入した燃料に乱流を発生させるための乱流室と、乱流室で乱流が発生した燃料を噴射する第２噴孔とが設けられた燃料噴射弁が知られている（特許文献１）。その他、本発明に関連する先行技術文献として特許文献２又は３が存在する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−２３２１１７号公報
【特許文献２】特開２００１−６５４３１号公報
【特許文献３】特開平７−１９７８７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
キャビテーション気泡を包む液膜が破壊されることによって燃料が微粒化されることが分かっている。特許文献１の燃料噴射弁では、剥離を利用してキャビテーションを発生させることにより燃料の微粒化を促進することを目的としている。しかし、キャビテーション気泡を包む液膜の破壊については言及されていない。
【０００５】
そこで、本発明は、キャビテーション気泡の液膜を積極的に破壊することが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】
【０００６】
本発明の内燃機関の燃料噴射弁は、ノズルボディに設けられたスリット状の噴孔から燃料を噴射する内燃機関の燃料噴射弁において、前記噴孔は、流入口から流出口に向かって徐々に流路面積を拡大させるように形成され、前記流出口には、上流から下流に向かって延びる複数の液膜カッターが互いに間隔を開けて一端から他端に亘って並べられており、前記複数の液膜カッターの各延長線の間隔が上流から下流に向かって拡大するように、前記複数の液膜カッターのそれぞれの向きが揃えられているものである（請求項１）。
【０００７】
この内燃機関の燃料噴射弁によれば、複数の液膜カッターが間隔を開けて流出口の一端から他端に亘って並べられているので、流出口を流れるキャビテーション気泡の液膜を積極的に破壊することができる。これにより、燃料の微粒化を促進することができる。また、スリット状の噴孔は、流入口から流出口に向かって徐々に流路面積を拡大させるように形成され、各延長線の間隔が上流から下流に向かって拡大するように複数の液膜カッターのそれぞれの向きが揃えられて配置されている。流出口に向かって流路面積が徐々に拡大するスリット状の噴孔を流れる燃料の流れにはキャビテーション気泡が含まれ、その燃料の流れが流出口に向かって放射状に流れることが確認できた。従って、複数の液膜カッターの各延長線の間隔が上流から下流に向かって拡大するようにそれぞれの向きが揃えられることにより、各液膜カッターが放射状の流れに沿って並ぶことになる。このため、各液膜カッターでキャビテーション気泡を破壊しつつ、燃料の流れが乱れることを抑制することができる。
【０００８】
本発明の内燃機関の燃料噴射弁の一態様において、前記複数の液膜カッターのそれぞれは、上流側の端部が上流に向かうに従って徐々に幅を狭めるように形成されており、下流側の端部が流線形状に形成されていてもよい（請求項２）。この場合、上流側の端部が上流に向かうに従って徐々に幅を狭めるように形成されているので、上流から流れてくるキャビテーション気泡の液膜を効果的にカットすることができる。一方、下流側の端部が流線形状に形成されており、燃料の流れが乱されないので、圧損を抑制することができる。
【発明の効果】
【０００９】
以上、説明したように、本発明によれば、複数の液膜カッターが間隔を開けて流出口の一端から他端に亘って並べられ、複数の液膜カッターは燃料の流れに沿うように各延長線の間隔が上流から下流に向かって拡大するようにそれぞれの向きが揃えられているので、燃料の流れを乱さずにキャビテーション気泡の液膜を積極的に破壊することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一形態に係る燃料噴射弁が適用された内燃機関の要部を模式的に示した図。
【図２】本発明の一形態に係る燃料噴射弁の噴孔の拡大断面図。
【図３】噴孔の流入口からの距離とキャビテーション気泡径との関係を示した図。
【図４Ａ】図２のIV方向からみた状態を示した断面図。
【図４Ｂ】燃料の流れを模式的に示す図。
【図５】図４ＡのＶ方向から見た模式図。
【図６】液膜カッターの拡大模式図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１は本発明の一形態に係る燃料噴射弁が適用された内燃機関の要部を模式的に示した図である。内燃機関１は、複数の気筒２が適宜のレイアウトで並べられた火花点火式内燃機関として構成されており、不図示の車両に走行用動力源として搭載される。図１では一つの気筒２のみを示している。気筒２の上部には気筒２を塞ぐようにシリンダヘッド４が取り付けられている。各気筒２には吸気通路５及び不図示の排気通路がそれぞれ設けられている。吸気通路５と気筒２との間は吸気弁６にて開閉される。各気筒２には図示しないクランク軸によって駆動されるピストン８が往復運動可能な状態で挿入されている。各気筒２には不図示の点火プラグがその電極を気筒２内に突出させるようにして取り付けられている。また、シリンダヘッド４には、気筒２毎に気筒２内に燃料を噴射する燃料噴射弁１０が取り付けられている。図１の破線矢印１１は、気筒２内の燃料噴射弁１０付近における気流の向きを示している。また、実線矢印１２は、燃料噴射弁１０から噴射される燃料の向きを示している。図１に示すように、燃料噴射弁１０は、燃料が噴きだされる噴出し角度が、トレーサを混入した微小時間離れた２画像より速度ベクトルを算出して気流の分布を見るＰＩＶ（Ｐａｒｔｉｃｌｅ  Ｉｍａｇｅ  Ｖｅｌｏｃｉｍｅｔｒｙ）による気流の角度と一致するように配置されている。
【００１２】
図２は燃料噴射弁１０の噴孔の拡大断面図である。図２に示すように、燃料噴射弁１０は、ノズルボディ１５と、ノズルボディ１５に形成された弁座１６に着座する弁体１７と、を備えている。ノズルボディ１５には、弁座１６に繋がっている燃料溜まり１８と、その燃料溜まり１８に連通する噴孔２０とがそれぞれ形成されている。弁体１７は、ソレノイドを動力源とした不図示の駆動装置によって弁体１７の軸線Ａｘの方向に駆動され、弁体１７が弁座１６から離座することにより噴孔２０の流入口２１と流出口２２との間に圧力差が生じて燃料が外部へ噴射される。図２の断面図では、噴孔２０の幅Ｃ１は短く一定に形成されており、噴孔２０は細長いスリット状に形成されている。
【００１３】
図２に示すように、噴孔２０とそれよりも流路面積が広い燃料溜まり１８との境界は丸みを帯びずに尖っている。このため、その境界において流路が急縮小するため、流入口２１で燃料の剥離が生じてキャビテーション気泡が生成される。ここで、燃料密度をρ、噴孔２０での平均流速をＶ、気筒２内の圧力をＰ２、燃料溜まり１８の圧力をＰ１、飽和蒸気圧をＰｖで示すと、生成されるキャビテーション気泡数ＣＮは次の式１で示されることが確認できた。
【００１４】
ＣＮ＝０．５×ρＶ０．５／（Ｐ２−Ｐｖ）          ・・・・・１
【００１５】
実機で測定したところ、Ｐ２＝１００〜４００ｋＰａ、Ｐｖ＝２３ｋＰａ付近、Ｐ１＝１２ＭＰａ付近であった。Ｐ２が一定であるため、キャビテーション気泡数ＣＮ∝Ｖ０．５となる。従って、Ｖを増大させるために噴孔２０の幅Ｃ１を短くした場合、例えば、幅Ｃ１を半分とした場合には、Ｖは理論上倍となるのでキャビテーション気泡数ＣＮは１．４倍に上昇する。この形態では、この傾向を踏まえて幅Ｃ１となるように噴孔２０を形成しており、破線２８で示す幅Ｃ２に比べてキャビテーション気泡数ＣＮを増やすことができる。また、燃料噴射弁１０は、噴出し角度が気流と一致するように配置されている。このように配置することで気流によって発生する負圧効果によりＰ２を３０〜５０ｋＰａ低減できることが確認できている。このため、Ｐ２が１００ｋＰａの場合に負圧効果でＰ２が５０ｋＰａ低減された場合には、キャビテーション気泡数ＣＮを約３倍に上昇させることができる。
【００１６】
また、キャビテーション気泡数ＣＮが大きくなるとキャビテーション気泡が大きくなる可能性が高いことが分かっている。キャビテーション気泡数ＣＮ＝１〜１０では、気泡径が５〜１０μｍ、キャビテーション気泡数ＣＮ＝１００〜２００のオーダーでは、気泡径が１００〜２００μｍであることが確認できている。さらに、キャビテーション気泡径が大きいと流出口２２に到達する前に消滅してしまう確率が減少することも確認された。
【００１７】
図３は、噴孔の流入口からの距離とキャビテーション気泡径との関係を示した図である。図３の破線３１はキャビテーション気泡数ＣＮが小さい場合を、実線３２はキャビテーション気泡数ＣＮが大きい場合をそれぞれ示している。また、弁体１７の先端がゼロに、Ｌ１が流入口２１の位置に、Ｌ２が流出口２２の位置に、それぞれ対応している。破線３１及び実線３２のいずれも流入口２１の位置Ｌ１でキャビテーション気泡が生成され始め、流入口２１からの距離に比例してキャビテーション気泡径が大きくなる傾向を一旦示し、流入口２１からやや離れた位置がキャビテーション気泡径の最大値となった後、キャビテーション気泡径の大きさが徐々に減少する傾向を示している。破線３１ではキャビテーション気泡径の最大値が実線３２に比べ小さくなっている。また、キャビテーション気泡径の最大値から減少する傾向が破線３１の方が実線３２に比べて急であり、破線３１では流出口２２の位置Ｌ２に到達する前にキャビテーション気泡径がゼロ、即ち、気泡が消滅している。これに対して実線３２では、破線３１に比べてキャビテーション気泡径の最大値から緩やかな減少傾向を示し、流出口２２の位置Ｌ２でも気泡が消滅していない。つまり、この形態によれば、キャビテーション気泡数ＣＮを増大させることによりキャビテーション気泡径を大きくすることができるので、キャビテーション気泡が流出口２２に到達する前に消滅する確率を低くすることができる。
【００１８】
図４Ａは、図２のIV方向からみた状態を示した断面図、図４Ｂは燃料の流れを模式的に示す図、図５は図４ＡのＶ方向から見た模式図である。図４Ｂの矢印３４は燃料の流れを示している。キャビテーション気泡のＰＩＶ解析を行うことで、図４Ｂに示すように、キャビテーション気泡を含む燃料の流れが噴孔２０で放射状となることが新たに確認された。このため、図４Ａに示すように、IV方向から噴孔２０を見ると噴孔２０は、流入口２１で流路が絞られたのち、流入口２１から流出口２２に向かって徐々に流路面積を拡大させるように形成されている。噴孔２０の流路は、弁体１７の軸線Ａｘを挟んで対称に形成されている。流出口２２には、複数の液膜カッター３５が流出口２２の一端から他端に亘って軸線Ａｘを挟んで対称となるように互いに等しい間隔Ｃを開けて並べられている。複数の液膜カッター３５は、上流から下流に向かって延びており、複数の液膜カッター３５を上流に向かって延長した各延長線３６が上流から下流に向かって放射状に配置されるようにそれぞれの向きが揃えられている。このため、各延長線３６の間隔は、上流の間隔Ｄ１に比べて下流の間隔Ｄ２が拡大されている。また、図５に示すように、各液膜カッター３５は、流出口２２を区分するように長手方向と直交する方向の一方から他方までそれぞれ延びている。
【００１９】
図６は、液膜カッター３５を拡大して模式的に示した図である。液膜カッター３５の上流側は、端部４０が液膜をカットできるように上流に向かうに従って徐々に幅を狭めるように形成されている。液膜カッター３５の下流側の端部４１は燃料の流れを乱さないように流線形に形成されている。液膜カッター３５は、上流側の端部４０及び下流側の端部４１を除いて滑らかに形成されている。
【００２０】
これまで、キャビテーションがどのように燃料の微粒化に寄与するのか確認できていなかったが、調査によりキャビテーション気泡を包む液膜が吸気とのせん断摩擦によって破壊されて微粒化されることが確認できた。この形態によれば、複数の液膜カッター３５が流出口２２の一端から他端に亘って並べられているので、キャビテーション気泡が消滅する前にキャビテーション気泡の液膜を積極的に破壊することができる。これにより、燃料の微粒化を促進することができる。冷損を抑制するために小ボア化が進められているが、小ボア化が進むと燃料が壁面に衝突しやすくなる。このような衝突が生じると不燃焼の燃料がオイルに混入し、オイルが希釈化されてしまう場合があるが、燃料の微粒化が促進されると燃料の壁面への衝突が抑制される。つまり、微粒化の促進によって今後の小ボア化によるオイルの希釈化が抑制され、体積効率を向上させることにより燃費効率を上げることができる。また、キャビテーション気泡を含む燃料の流れがスリット状の噴孔２０で放射状となる新たな知見に基づき、噴孔２０は、流入口２１から流出口２２に向かって徐々に流路面積を拡大させるように形成され、流出口２２に並べられた複数の液膜カッター３５は、各延長線３６が放射状となるようにそれぞれの向きが揃えられている。このため、複数の液膜カッター３５が放射状に流れる燃料の流れに沿って並ぶことになる。これにより、液膜カッター３５が燃料の流れを乱すことを抑制することができる。また、複数の液膜カッター３５は、上流側の端部４０が上流に向かうに従って徐々に幅を狭めるように形成され、下流側の端部４１が流線形に形成されているので、上流から流れてくるキャビテーション気泡の液膜を効果的にカットできるとともに、圧損を抑制することができる。さらに、噴孔２０の幅Ｃ１が短く形成されているとともに、燃料噴射弁１０の噴出し角度が気流と一致するように配置されているので、より多くのキャビテーション気泡が消滅せずに流出口２２まで到達する。このため、より効果的に燃料の微粒化を促進することができる。
【００２１】
但し、本発明は上述の形態に限定されず、本発明の要旨の範囲内で種々の形態にて実施できる。上述の形態では、燃料噴射弁１０の噴孔２０がキャビテーション気泡数ＣＮを上昇させるような幅で形成されているが、このような構成に限定されるものではない。また、上述の形態では、燃料噴射弁１０の噴出し角度が気流と一致するように配置され、キャビテーション気泡数ＣＮを上昇させるように構成されているが、このような構成に限定されるものではない。また、複数の液膜カッター３５は、複数の液膜カッター３５の各延長線３６が上流から下流に向かって放射状に配置されるようにそれぞれの向きが揃えられているが、このような構成に限定されるものではなく、複数の液膜カッターの各延長線の間隔が上流から下流に向かって拡大するように、複数の液膜カッターのそれぞれの向きが揃えられていればよい。このような構成であれば、複数の液膜カッターが燃料の流れに沿って並べられることになるので、燃料の流れを乱さずにキャビテーション気泡の液膜を積極的に破壊することができる。また、複数の液膜カッターの互いの間隔Ｃが等しくなる構成に限定されるものではない。例えば、複数の液膜カッターは、弁体の軸線Ａｘから流出口の両端に向かって離れるに従って各液膜カッター間の間隔が徐々に広くなるように並べられていてもよい。
【符号の説明】
【００２２】
１  内燃機関
１０  燃料噴射弁
１５  ノズルボディ
２０  噴孔
２１  流入口
２２  流出口
３５  液膜カッター
３６  延長線
４０  上流側の端部
４１  下流側の端部
Ａｘ  軸線
Ｄ１  上流の間隔
Ｄ２  下流の間隔
Ｃ  間隔
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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