(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料の噴射孔を有する弁座、この弁座に離接して上記噴射孔を開閉するニードル弁、上記ニードル弁と上記弁座が当接するシート部の上流に設けられ上記噴射孔に流入する燃料に旋回運動を与える旋回体を備えた燃料噴射弁において、
上記旋回体には、上記弁座に面する軸方向端面の内周に設けられた環状溝と、上記環状溝に接線方向に接続された旋回溝が形成され、
上記ニードル弁の先端部には、上記ニードル軸に垂直であり上記弁座の噴射孔に臨む平面部が形成されると共に、
上記平面部の円の直径を、上記噴射孔内に形成される燃料流の空洞直径以下にしたことを特徴とする燃料噴射弁。
【請求項２】
中空状の弁本体、この弁本体の一端に設けられ噴射孔を有する弁座、上記弁本体内を移動し上記弁座に離接して上記噴射孔を開閉するニードル弁、及び上記ニードル弁の周囲に配置され上記ニードル弁を摺動可能に支持すると共に上記噴射孔から流出する燃料に旋回を与える旋回体を有する弁装置を備え、
上記弁装置の旋回体が、上記弁本体の内周面に接して弁本体に対する位置を規定する外周面部と、上記外周面部間に設けられて軸方向の流路を形成する流路部分と、上記旋回体の上記弁座に面する軸方向端面の内周に設けられた環状溝と、一端が上記流路部分に接続され他端がそこからほぼ径方向内側に上記環状溝に対して接線方向に延びて上記環状溝に接続される旋回溝を有し、
上記ニードル弁の先端部にニードル軸に垂直であり上記弁座の噴射孔に臨む平面部を形成すると共に、上記平面部の円の直径を、上記噴射孔内に形成される燃料流の空洞直径以下にしたことを特徴とする燃料噴射弁。
【請求項３】
燃料の噴射孔を有する弁座、この弁座に離接して上記噴射孔を開閉するニードル弁、上記ニードル弁と上記弁座が当接するシート部の上流に設けられ上記噴射孔に流入する燃料に旋回運動を与える旋回体を備えた燃料噴射弁において、
上記旋回体には、上記弁座に面する軸方向端面の内周に設けられた環状溝と、上記環状溝に接線方向に接続された旋回溝が形成され、
上記ニードル弁の先端部を、上記弁座の噴射孔に臨む頂角１５０度以上の円錐形状に形成するとともに、
上記円錐形状部の円錐底面の直径を燃料流の空洞直径以下にしたことを特徴とする燃料噴射弁。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料噴射弁、特に筒内噴射用燃料噴射弁に適するものであって、燃料流に旋回手段により旋回エネルギーを与えて燃料噴射孔から噴射する形式の燃料噴射弁に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、燃料を旋回させて噴射する燃料噴射弁として、例えば図１２（特公平４−７７１５０号公報）に示されるものがあった。すなわち、図１２（Ａ）のように針弁１の周囲に接線通路として接線溝４を設けたものや、図１２（Ｂ）のように渦巻き室５に接線的に連通する接線ポート６を備えたものや、図１２（Ｃ）に示すようにノズルボディー７の内周部と針弁１の間に隔壁部材９を設けこの周囲に接線溝１０を設けたものがある。これら燃料噴射弁（Ａ）〜（Ｃ）のいずれの場合も、燃料は接線溝や接線ポートで旋回流となり、噴射孔から噴射されると微粒化されて噴霧を形成する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように、燃料が旋回して噴射される燃料噴射弁において、図１２に示すようにいずれもその針弁（ニードル弁）の先端は円錐形状をなしている。しかしながら、特に、内燃機関の筒内に噴射される燃料噴射弁においては、噴射孔内に形成される空洞部によりニードル弁の先端部が燃料によって洗浄されないため、筒内の燃焼で発生するカーボン等が付着して、燃料の流れを妨げ、噴射形状（噴霧角や噴霧の均一性）の変化や流量の変化を引き起こすという問題点があった。
【０００４】
この発明は、上記のような問題点を解消するためになされたもので、燃料が旋回して噴射される燃料噴射弁、特に筒内噴射用燃料噴射弁において、ニードル弁の先端部にカーボン等を付着させず、燃料流の妨害、噴射形状（噴霧角や噴霧の均一性）の変化、流量の変化を生じないようにすることを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、燃料の噴射孔を有する弁座、この弁座に離接して上記噴射孔を開閉するニードル弁、上記ニードル弁と上記弁座が当接するシート部の上流に設けられ上記噴射孔に流入する燃料に旋回運動を与える旋回手段を備えた燃料噴射弁において、旋回体に環状溝とこの環状溝に接線方向に接続された旋回溝を形成し、ニードル弁の先端部に、ニードル軸に垂直であり弁座の噴射孔に臨む平面部を形成し、上記平面部の円の直径を噴射孔内に形成される燃料流の空洞直径以下にしたことを特徴とする。
【０００６】
請求項２の発明は、中空状の弁本体、この弁本体の一端に設けられ噴射孔を有する弁座、上記弁本体内を移動し上記弁座に離接して上記噴射孔を開閉するニードル弁、及び上記ニードル弁の周囲に配置され上記ニードル弁を摺動可能に支持すると共に上記噴射孔から流出する燃料に旋回を与える旋回体を有する弁装置を備え、上記弁装置の旋回体が、上記弁本体の内周面に接して弁本体に対する位置を規定する外周面部と、上記外周面部間に設けられて軸方向の流路を形成する流路部分と、上記旋回体の上記弁座に面する軸方向端面の内周に設けられた環状溝と、一端が上記流路部分に接続され他端がそこからほぼ径方向内側に上記環状溝に対して接線方向に延びて上記環状溝に接続される旋回溝を有し、上記ニードル弁の先端部にニードル軸に垂直であり弁座の噴射孔に臨む平面部を形成すると共に、上記平面部の円の直径を、上記噴射孔内に形成される燃料流の空洞直径以下にしたことを特徴とする。
【０００７】
請求項３の発明は、燃料の噴射孔を有する弁座、この弁座に離接して上記噴射孔を開閉するニードル弁、上記ニードル弁と上記弁座が当接するシート部の上流に設けられ上記噴射孔に流入する燃料に旋回運動を与える旋回手段を備えた燃料噴射弁において、旋回体に環状溝とこの環状溝に接線方向に接続された旋回溝を形成し、ニードル弁の先端部を弁座の噴射孔に臨む頂角１５０度以上の円錐形状に形成するとともに、円錐形状部の円錐底面の直径を燃料流の空洞直径以下にしたことを特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
発明の前提技術．
（発明の前提技術の構成）
図１はこの発明の前提技術である筒内噴射用燃料噴射弁１の全体構成を示す側面断面図である。筒内噴射用燃料噴射弁１は、ハウジング本体２と、このハウジング本体２の一端にかしめ等されホルダ３５によりカバーされた弁装置３とにより構成されている。ハウジング本体２の他端には燃料供給管４が接続され、この燃料供給管４から燃料フィルタ５７を介して筒内噴射用燃料噴射弁１内に高圧の燃料が供給される。また、筒内噴射用燃料噴射弁１の先端部は内燃機関のシリンダヘッド５の噴射弁挿入孔６に挿入され、ウエーブワッシャ６０等によりシールされて取り付けられている。
【０００９】
弁装置３は、小径円筒部７及び大径円筒部８を有する段付中空円筒形の弁本体９と、弁本体９内で中心孔先端に固着されて燃料噴射孔１０を有する弁座１１と、後述するソレノイド装置５０により弁座１１に離接して燃料噴射孔１０を開閉する弁体であるニードルバルブ１２と、ニードルバルブ１２を軸方向に案内すると共に、径方向内向きに弁座１１の燃料噴射孔１０に流れ込もうとする燃料に旋回運動を与える旋回体１３とを備えている。弁装置３の弁本体９はハウジング本体２と共働して筒内噴射用燃料噴射弁１のハウジングを構成している。
【００１０】
ハウジング本体２は、筒内噴射用燃料噴射弁１をシリンダヘッド５に取り付けるためのフランジ３０ａを有する第１ハウジング３０と、ソレノイド装置５０を装着した第２ハウジング４０を備えている。ソレノイド装置５０は、コイル５１を巻回したボビン部５２と、このボビン部５２の内周部に設置されたコア５３とを備え、コイル５１の巻線は端子５６につながっている。コア５３はその内部が燃料通路となるように中空円筒形状になっており、その中空部には、スプリング５５がスリーブ５４とニードルバルブ１２の他端部間に懸架されている。
【００１１】
ニードルバルブ１２の他端部には、上記コア５３の先端側に対向するように可動アマチュア３１が取り付けられており、また、ニードルバルブ１２の中間部には、バルブ１２を弁本体９の内周面に沿って摺動案内させるガイド１２ａと、第１ハウジング３０に設置されたスペーサ３２と当接するニードルフランジ１２ｂが設けられている。
【００１２】
図２は旋回体１３の弁座１１側から見た正面図であり、図３は弁装置３の弁付近を示す拡大側面図である。図において、弁装置３の旋回体１３は、中心に弁体であるニードルバルブ１２を囲んで軸方向に摺動可能に支持する中心孔１５を持つほぼ中空円筒形の部材であって、弁装置３内に組み立てられた時、弁座１１に接する第１端面１６と、弁座１１と反対側の第２端面１７と、これらの端面間にあって中空のハウジングの一部である弁本体９の内周面１８に接する部分を有する周面１９とを備えている。
【００１３】
旋回体１３の第２端面１７は、その周辺部で弁本体９の内周面１８の肩部２０に当接して支持されており、また径方向に延びた通路溝２１が形成されていて、第２端面１７の内周部から外周部に燃料が流れることができるように構成されている。
【００１４】
旋回体１３の周面１９には、互いに等間隔に周方向に離間して軸方向に延びた多数の平坦面が形成されており、その結果、周面１９には弁体９の内周面１８に当接して弁体９に対する位置を規定する複数の外周面部分１９ａと、これら外周面部分間に設けられた平坦面であって、内周面１８と共に燃料の軸方向流路２２を形成する流路部分１９ｂとが形成されている。これらの軸方向流路２２は弁体９の内周面１８と平坦な流路部分１９ｂとの間の間隙であり、その断面形状が片面凸レンズ状となる。これらの軸方向流路２２は図示の例では８本であるが、４本あるいは６本更にはそれ以上の適当な数でもよい。
【００１５】
旋回体１３の弁座１１に面する軸方向端面即ち第１端面１６には、第１端面１６の中心孔１５に隣接する内周辺に形成された所定幅の内周環状溝２４と、一端で周面１９の流路部分１９ｂに接続されて、そこからほぼ径方向内側に延びて、他端で内周環状溝２４に接線方向に接続された旋回溝２５とが設けられている。図示の例では旋回溝２５の幅は内周環状溝２４の幅と等しくされているが、内周環状溝２４の外縁が旋回溝２５の外縁と接続関係にあれば良い。また、旋回溝２５の数は図示の例では８本であるが、４本あるいは６本更にはそれ以上の適当な数でも良い。
【００１６】
図４はニードルバルブ１２の先端形状及び噴射孔１０付近を示す拡大断面図である。図において、ニードルバルブ１２の先端部は、Ｒを有し弁座１１と当接するシート部１２ｃと、このシート部１２ｃから先端部に向けて延設する円錐部１２ｄと、この円錐部１２ｄの先端部を噴射孔１０に対してほぼ垂直方向に切り取った平面部１２ｅを備えている。なお、ニードルバルブ１２の円錐部１２ｄと平面部１２ｅの接合部は、微小なＲ形状となってもよい。また、弁座１１は、ニードルバルブ１２と離接するシート部を有する円錐部１１ａと、長さＬ、直径Ｄのほぼ円筒形の噴射孔１０を形成する噴射孔径部１１ｂを備えている。なお、図示の点線部は、従来のニードルバルブ１２の先端形状であり、１００は燃料の噴射形状である。
【００１７】
（発明の前提技術の動作）
次に、実施の形態１の筒内噴射用燃料噴射弁の動作について説明する。まず図１において、外部より端子５６を介してソレノイド装置５０のコイル５１に通電すると、可動アマチュア３１、コア５３、ハウジング本体２で構成される磁気通路に磁束が発生し、可動アマチュア３１はスプリング５５の弾性力に抗してコア５３側へ吸引される。そして、可動アマチュア３１と一体のニードルバルブ１２はそのニードルフランジ１２ｂがスペーサ３２に当接するまで所定ストローク図示右側へ移動する。なお、ニードルバルブ１２はガイド１２ａにより弁本体９の内周面に案内保持される。
【００１８】
次に、図２及び図３において、ニードルバルブ１２の先端部が弁座１１から離れて間隙が形成されると、燃料供給管４から導入される高圧の燃料は、弁本体９とニードルバルブ１２間の通路から、まず旋回体１３の第２端面１７の通路溝２１を通って周面の軸方向流路２２に流れ込む。そして、旋回体１３の第１端面１６の旋回溝２５に流入して径方向内側に流れ、第１端面１６の内周環状溝２４内へその接線方向に流れ込み、旋回流を形成する。その後、弁座１１の噴射孔１０内に入ってその先端出口から噴霧される。
【００１９】
このとき、旋回溝２５から内周環状溝２４への燃料の流れは、内周環状溝２４の接線方向に高速で但し滑らかに流入するので、複数の旋回溝２５からの燃料の複数の噴流が衝突し合ったり、既に形成されている燃料の旋回流に新たに加えられる燃料の噴流が衝突したりすることがなく、燃料の流れが滑らかで、流れの衝突や乱れによる大きな圧力損失は発生しない。
【００２０】
その結果、図４に示すように、燃料は旋回体１３により旋回力が与えられて、噴射孔１０内に旋回流として噴射され、燃料流１００は噴射孔１０内において空洞を形成した噴射形状となる。ここで、図４の点線部分で示したようにニードルバルブ１２の先端が円錐形状となっていると、燃料流の空洞部分に晒された表面積が大きくなり、エンジン筒内で発生するカーボン、エンジンオイル、水分等（主にカーボン）が付着しやすかった。そこで、図４に示すようにニードルバルブ１２の先端部を平面形状１２ｅに形成することにより、燃料流の空洞部分に晒された表面積を最小限として、カーボン等の付着面積を小さくする。また、平面形状１２ｅの部分にカーボン等が付着しても燃料１００の流れに関与せず影響しにくくなるという利点もある。
【００２１】
実施の形態１．
図５は実施の形態１に係るニードルバルブ１２の先端形状及び噴射孔１０付近を示す拡大断面図である。この実施の形態では、ニードルバルブ１２の先端部の平面形状１２ｅの直径Ｄ２を、燃料噴射孔１０内での燃料噴射の空洞の直径Ｄ１以下にすることにより、ニードルバルブ１２の先端平面形状１２ｅ部が燃料流れに影響を及ばさないようにする。
【００２２】
燃料噴射孔１０内の旋回流の空洞直径は、例えば下記に説明する方法で求める。なお、実際の製品を使用して実験・シミュレーションを行って求めても良い。
【００２３】
すなわち、日本機械学会論文集，１７−５８（１９５１），燃焼機器工学（日刊工業新聞社）によると、棚沢，マーシャルは図６に示されるうず巻き噴射ノズルのうず巻室における流れの状態を解析し、うず巻き室の寸法と流量係数及び噴霧角の関係を求めている。ここで、図６はモデルとなる基本形ノズルを示し、図７はそのうず巻室内のエネルギー分布を示している。
【００２４】
図７において、うず巻室に入る前の液圧と外気圧の差をｐ０、液の比重量をγとすれば、接線通路を通った後、うず巻室入口で圧力がｐｉ、接線速度はｕｉとなる。うず巻室内では自由うずの法則が成立し、各部で渦度が一定であるので、
ｕ・ｄ＝ｕｉ・ｄｉ＝一定となる。ここに、ｕは任意の直径における接線速度（ｍ／ｓ）、ｄは任意の直径（ｍ）、ｕｉはうず巻室入口接線速度（ｍ／ｓ）、ｄｉはうず巻室外径（ｍ）である。
【００２５】
全エネルギーｐ０／γから接線速度エネルギーｕ２／２ｇを差引いた残りは圧力エネルギーｐ／γと半径方向の速度エネルギーｖ２／２ｇとなるが、うず巻室高さｈが高ければ、ｖ２／２ｇは省略して良い。
【００２６】
噴口部の中心部は空洞となるので、液体が存在する環状流の内径ｄ＝ｄｃでは、全エネルギーｐ０／γはすべて接線速度エネルギーｕ２Ｃ／２ｇに変る。従ってうず巻室へ入る流量と噴射孔から噴出する流量は相等しいから流量Ｑは式（１）で表わされる。式（１）において、Ｑは流量（ｍ２／ｓ）、ｗは軸方向速度（ｍ／ｓ）、ｒは任意の半径（ｍ）、Ａｉはうず巻室入口面積（ｍ２）、ｄｅは噴射孔径（ｍ）、ｄｃは噴射孔部の液体環状流の内径（ｍ）を表わす。
【００２７】
一方、ベルヌーイの定理と自由うずの法則から式（２）が成り立ち、式（２）を式（１）に代入すると式（３）となる。ここで流量係数Ｃ０は式（４）となる。また、ｕｉとｄｃの間には式（５）の関係があり、空洞直径ｄｃは式（１）〜（５）より求めることができ、いま、うず巻室の特性を表わすパラメータとして式（６）によりＫを定義し、また、ｋ＝ｄｃ／ｄｅで表わされるｋを空洞係数と名付ける。
【００２８】
【数１】
0003625106.tif 000002
【００２９】
以上の関係式からうず巻室の寸法だけに関係するＫを与えると、空洞係数ｋと流量係数Ｃ０が定まるから、Ｋをうず巻特性値と名付け、ｋとＣ０を図８及び図９に表わす。なお、特性値Ｋはうず巻室入口面積と噴射孔の面積に関係する無次元数で、Ｋが小さいことは入口面積が小さく、出口面積が広いことを意味している。このような場合には空洞が大きく、旋回速度が軸流速度に比べて大きくなるので、流量係数は他の噴射弁と比べて小さな値となる。
【００３０】
また、噴霧角α０は式（７）で表わすことができ、図８及び図９にα０の値を示す。
【００３１】
【数２】
0003625106.tif 000003
【００３２】
なお、以上の理論は、流れがポテンシャル流で、かつ寸法上理想的な場合であるので各種の影響を考慮して補正する必要がある。
【００３３】
上記の手法によると、ニードルバルブ１２の先端平面形状１２ｅの直径Ｄ２を噴射孔１０内の燃料流の空洞直径Ｄ１以下にするには、例えば噴霧角α０の値が６０度で、噴射孔１０の直径が１ｍｍの場合は、図８及び図９により空洞係数ｋが０．５となり、旋回流の空洞直径が０．５ｍｍとなるのでニードルバルブ１２の先端平面形状１２ａの直径を０．５ｍｍ以下とする。
【００３４】
図１０は実施の形態１の反対の例を示したもので、ニードルバルブ１２の先端平面形状１２ｅ部の直径Ｄ２が燃料噴射孔１０内の旋回流の空洞直径Ｄ１より大きい場合を示す。このとき、ニードルバルブ１２の先端平面形状１２ｅ部から下流側に空洞径の小さな部分が存在し、噴射孔１０内の燃料流れが変化する。燃料流れの変化の程度がニードルバルブ１２の先端平面形状１２ｅ部の直径によって変化するので、燃料噴射弁の性能のバラツキが大となる。また、その平面形状１２ｅ部にカーボンが付着すると更に燃料流に影響を及ぼし所望の噴射形状が得られなくなる。
【００３５】
この実施の形態によれば、ニードルバルブの先端平面形状の直径を噴射孔内の空洞直径以下としたので、平面形状部を形成したことにより燃料の流れが変化することを防ぐ。
【００３６】
実施の形態２．
図１１は実施の形態２に係るニードルバルブ１２の先端形状及び噴射孔１０付近を示す拡大断面図である。この実施の形態では、ニードルバルブ１２の先端部を平面形状にする代りに、その先端部の頂角Θが１５０度以上の円錐形状部１２ｆを形成する。
【００３７】
この実施の形態によれば、カーボン等の付着を防止できると共に、実施の形態１と同様に噴射孔１０内の燃料流れに影響を及ぼさなく、また生産性が高くコスト安くなる利点がある。
【００３８】
実施の形態３．
実施の形態３では、実施の形態１から実施の形態２におけるニードルバルブ１２の先端部にメッキを施したものである。そのメッキ範囲は実施の形態１及び実施の形態２の平面形状部１２ｅ、実施の形態３の円錐形状部１２ｆを含み、更にニードルバルブ１２と弁座１１が当接するシート部のシート径より小さい径の部分までであるのが好ましい。
【００３９】
また、上記ニードルバルブ先端のメッキはクロムメッキ、又はニッケルにフッ素樹脂を含んだメッキが好適である。
【００４０】
実施の形態３では、ニードルバルブ１２の先端部を含む表面にメッキを施すことにより、カーボン等の付着を防止する。
【００４１】
その他の実施の形態．
上記実施の形態では、燃料を旋回させて噴射する燃料噴射弁として、図１に示す構造の燃料噴射弁について説明したが、図１２（Ａ）のように針弁１の周囲に接線通路として接線溝４を設けたものや、図１２（Ｂ）のように渦巻き室５に接線的に連通する接線ポート６を備えたものや、図１２（Ｃ）に示すようにノズルボディー７の内周部と針弁１の間に隔壁部材９を設けこの周囲に接線溝１０を設けたものにおいて、その針弁１の先端部に平面形状を設けても良い。
【００４２】
【発明の効果】
請求項１及び請求項２の発明によれば、ニードル弁の先端部を平面形状とすることにより、噴射孔側からのカーボンの付着を防止し、噴射孔内での燃料流を妨害させず、噴射形状（噴霧角や噴霧の均一性）及び流量の変化を発生させないようにすることができる。
また、ニードル弁の平面形状の円の直径を噴射孔内の燃料旋回流の空洞直径以下にすることにより、ニードル弁先端を平面形状にしたことによる燃料の旋回形状の変化を抑えることができる。
【００４３】
請求項３の発明によれば、ニードル弁の先端部に頂角１５０度以上の円錐部を形成することにより、カーボンの付着を防止でき、噴射孔内の燃料流れに影響を及ぼさないと共に、生産性が高くコストが安くなる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係る筒内噴射用燃料噴射弁の全体構成を示す側面断面図である。
【図２】図１の旋回体の弁座側から見た正面図である。
【図３】図１の弁装置の弁付近を示す拡大側面図である。
【図４】図１の弁体の先端形状及び噴射孔付近を示す拡大断面図である。
【図５】実施の形態１の弁体の先端形状及び噴射孔付近を示す拡大断面図である。
【図６】うず巻き噴射ノズルのうず巻室における流れの状態を解析する基本形ノズルモデル図である。
【図７】図６のうず巻室内のエネルギー分布を示している。
【図８】流量係数，空洞係数とうず巻室特性値の関係を示す図である。
【図９】空洞係数と各特性値の関係を表わす図である。
【図１０】実施の形態１の反対の例を示した弁体の先端形状及び噴射孔付近を示す拡大断面図である。
【図１１】実施の形態２の弁体の先端形状及び噴射孔付近を示す拡大断面図である。
【図１２】従来の燃料噴射弁の構造を示す側面断面図である。
【符号の説明】
１  筒内噴射用燃料噴射弁、３  弁装置、９  弁本体、１０  燃料噴射孔、１１  弁座、１２  ニードルバルブ（弁体）１２ｅ  平面形状、１３  旋回体、２４  内周環状溝、２５  旋回溝。
【図１】
0003625106.tif 000004
【図２】
0003625106.tif 000005
【図３】
0003625106.tif 000006
【図４】
0003625106.tif 000007
【図５】
0003625106.tif 000008
【図６】
0003625106.tif 000009
【図７】
0003625106.tif 000010
【図８】
0003625106.tif 000011
【図９】
0003625106.tif 000012
【図１０】
0003625106.tif 000013
【図１１】
0003625106.tif 000014
【図１２】
0003625106.tif 000015