(57)【要約】【課題】内燃機関に燃料を噴射する燃料噴射ノズルにおいて、噴射圧を高めても流量係数を低下させない。【解決手段】例えば、第１構造を備えるノズルにおいて、不等式１００°≦θ≦１９４°を満たすようにコーン角θを設定することで、噴射圧を２２０ＭＰａまで高めても流量係数Ｃｄを０．８２以上にすることができる。また、不等式１００°≦θ≦１８６°を満たすようにコーン角θを設定することで、噴射圧を２４０ＭＰａまで高めても流量係数Ｃｄを０．８２以上にすることができる。さらに、不等式１００°≦θ≦１７５°を満たすようにコーン角θを設定することで、噴射圧を２６０ＭＰａまで高めても流量係数Ｃｄを０．８２以上にすることができる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒状のノズルボディ（３）と、このノズルボディ（３）の内周に軸方向に移動可能となるように収容されるニードル（２）とを備え、前記ニードル（２）が前記ノズルボディ（３）の内周で軸方向に移動することで燃料の噴射を開始または停止する燃料噴射ノズル（１）において、
前記ノズルボディ（３）の内壁の一部であり、前記ニードル（２）の軸方向の先端近傍に設けられたシート部（１３）が離着するシート位置（１０）と、
前記シート位置（１０）よりも軸方向の先端側で前記ノズルボディ（３）の内壁に開口し、前記シート部（１３）が前記シート位置（１０）から離座することで前記ノズルボディ（３）の内周から外部に燃料を導き、自身の軸（γ）が前記ノズルボディ（３）の軸（β）に交差する噴孔（１１）と、
前記内壁の内、前記シート位置（１０）および前記噴孔（１１）の前記内壁における開口（１１ａ）が存在する壁部分の形状を規定する構造であり、前記壁部分の内、前記シート位置（１０）を含む部分であるシート面は、前記軸（β）と同軸の円錐面（１７）として設けられ軸方向先端側ほど小径であって先端が円（２０）であり、前記開口（１１ａ）を含む部分である噴孔開口面は、前記軸（β）と同軸であって前記シート面の先端の径以下の径を有する円筒面（１８）、または、この円筒面（１８）の軸方向の先端側に連続するとともに、前記円筒面（１８）の径と同じ径を有して軸方向の先端側に凸を形成する半球面（１９）である第１構造とを備え、
前記軸（β）と前記軸（γ）との間に形成される角度の２倍の角度として定義されるコーン角（θ）に関し、不等式１００°≦θ≦１９４°を満たすことを特徴とする燃料噴射ノズル（１）。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料噴射ノズル（１）において、
前記コーン角（θ）に関し、不等式１００°≦θ≦１８６°を満たすことを特徴とする燃料噴射ノズル（１）。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料噴射ノズル（１）において、
前記コーン角（θ）に関し、不等式１００°≦θ≦１７５°を満たすことを特徴とする燃料噴射ノズル（１）。
【請求項４】
円筒状のノズルボディ（３）と、このノズルボディ（３）の内周に軸方向に移動可能となるように収容されるニードル（２）とを備え、前記ニードル（２）が前記ノズルボディ（３）の内周で軸方向に移動することで燃料の噴射を開始または停止する燃料噴射ノズル（１）において、
前記ノズルボディ（３）の内壁の一部であり、前記ニードル（２）の軸方向の先端近傍に設けられたシート部（１３）が離着するシート位置（１０）と、
前記シート位置（１０）よりも軸方向の先端側で前記ノズルボディ（３）の内壁に開口し、前記シート部（１３）が前記シート位置（１０）から離座することで前記ノズルボディ（３）の内周から外部に燃料を導き、自身の軸（γ）が前記ノズルボディ（３）の軸（β）に交差する噴孔（１１）と、
前記内壁の内、前記シート位置（１０）および前記噴孔（１１）の前記内壁における開口（１１ａ）が存在する壁部分の形状を規定する構造であり、前記壁部分の内、前記シート位置（１０）を含む部分であるシート面は、前記軸（β）と同軸の円錐面（１７）として設けられ軸方向先端側ほど小径であり、前記開口（１１ａ）も前記シート面に存在する第２構造とを備え、
前記軸（β）と前記軸（γ）との間に形成される角度の２倍の角度として定義されるコーン角（θ）に関し、不等式１００°≦θ≦１８９°を満たすことを特徴とする燃料噴射ノズル（１）。
【請求項５】
請求項４に記載の燃料噴射ノズル（１）において、
前記コーン角（θ）に関し、不等式１００°≦θ≦１８１°を満たすことを特徴とする燃料噴射ノズル（１）。
【請求項６】
請求項５に記載の燃料噴射ノズル（１）において、
前記コーン角（θ）に関し、不等式１００°≦θ≦１７０°を満たすことを特徴とする燃料噴射ノズル（１）。
【請求項７】
円筒状のノズルボディ（３）と、このノズルボディ（３）の内周に軸方向に移動可能となるように収容されるニードル（２）とを備え、前記ニードル（２）が前記ノズルボディ（３）の内周で軸方向に移動することで燃料の噴射を開始または停止する燃料噴射ノズル（１）において、
前記ノズルボディ（３）の内壁の一部であり、前記ニードル（２）の軸方向の先端近傍に設けられたシート部（１３）が離着するシート位置（１０）と、
前記シート位置（１０）よりも軸方向の先端側で前記ノズルボディ（３）の内壁に開口し、前記シート部（１３）が前記シート位置（１０）から離座することで前記ノズルボディ（３）の内周から外部に燃料を導き、自身の軸（γ）が前記ノズルボディ（３）の軸（β）に交差する噴孔（１１）と、
前記内壁の内、前記シート位置（１０）および前記噴孔（１１）の前記内壁における開口（１１ａ）が存在する壁部分の形状を規定する構造であり、前記壁部分の内、前記シート位置（１０）を含む部分であるシート面は、前記軸（β）と同軸の円錐面（１７ａ）として設けられ軸方向先端側ほど小径であって先端が円（２０）であり、前記開口（１１ａ）を含む部分である噴孔開口面は、前記軸（β）と母線との間に形成される角度が前記シート面よりも小さく、かつ、前記軸（β）と同軸の円錐面（１７ｂ）として設けられ軸方向先端側ほど小径である第３構造とを備え、
前記軸（β）と前記軸（γ）との間に形成される角度の２倍の角度として定義されるコーン角（θ）に関し、不等式１００°≦θ≦１９１°を満たすことを特徴とする燃料噴射ノズル（１）。
【請求項８】
請求項７に記載の燃料噴射ノズル（１）において、
前記コーン角（θ）に関し、不等式１００°≦θ≦１８３°を満たすことを特徴とする燃料噴射ノズル（１）。
【請求項９】
請求項８に記載の燃料噴射ノズル（１）において、
前記コーン角（θ）に関し、不等式１００°≦θ≦１７２°を満たすことを特徴とする燃料噴射ノズル（１）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料を噴射する燃料噴射ノズル（以下、略してノズルと呼ぶことがある。）に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、例えば、内燃機関に燃料を噴射して供給する燃料噴射弁では、燃料を噴射するノズルと、このノズルを開弁駆動または閉弁駆動するアクチュエータとを備えるものが周知である。また、燃料噴射弁に用いられるノズル（燃料噴射ノズル）では、円筒状のノズルボディと、ノズルボディの内周に軸方向に移動可能となるように収容されるニードルとを備えるものが公知である。そして、このノズルは、ニードルがノズルボディの内周で軸方向に移動することで燃料の噴射を開始または停止する。
【０００３】
つまり、ノズルボディの内壁には、ニードルの軸方向の先端近傍に設けられたシート部が離着するシート位置が設けられ、さらに、シート位置よりも軸方向の先端側の内壁には、燃料の噴孔が複数開口している。そして、シート部がシート位置から離座することで、噴孔を通じてノズルボディの内周から外部に燃料が導かれて噴射される（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
ところで、燃料噴射ノズルでは、エネルギー的に有利な構造を採用するため、流量係数を高める様々な検討がなされている。例えば、特許文献２によれば、噴孔のノズルボディ内周側の開口を「半楕円形状」とすることで、噴孔内におけるキャビテーションや流れの分布の偏り等を抑制して流量係数を高めることができるとしている。
【０００５】
しかし、燃料噴射ノズルの流量係数は噴射圧が高くなるほど低下するので、噴射圧が高いほどエネルギー的に不利になる。このため、例えば、ディーゼルエンジンの気筒内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁のように、噴射圧の高圧化要求が高い用途では、噴射圧を高めても流量係数を低下させない構造が求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０−１８０７６３号公報
【特許文献２】特開２０１０−２２２９７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、内燃機関に燃料を噴射する燃料噴射ノズルにおいて、噴射圧を高めても流量係数を低下させないことにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本願の第１発明によれば、燃料噴射ノズルは、円筒状のノズルボディと、ノズルボディの内周に軸方向に移動可能となるように収容されるニードルとを備え、ニードルがノズルボディの内周で軸方向に移動することで燃料の噴射を開始または停止する。そして、燃料噴射ノズルは、次のシート位置、噴孔および第１構造を備える。
【０００９】
まず、シート位置は、ノズルボディの内壁の一部であり、ニードルの軸方向の先端近傍に設けられたシート部が離着する。また、噴孔は、シート位置よりも軸方向の先端側でノズルボディの内壁に開口し、シート部がシート位置から離座することでノズルボディの内周から外部に燃料を導くものであり、自身の軸（γ）がノズルボディの軸（β）に交差する。
【００１０】
さらに、第１構造とは、内壁の内、シート位置および噴孔の内壁における開口（１１ａ）が存在する壁部分の形状を規定する構造である。そして、第１構造によれば、壁部分の内、シート位置を含む部分であるシート面は、軸（β）と同軸の円錐面として設けられ軸方向先端側ほど小径であって先端が円である。また、開口（１１ａ）を含む部分である噴孔開口面は、軸（β）と同軸であってシート面の先端の径以下の径を有する円筒面、または、円筒面の軸方向の先端側に連続するとともに、円筒面の径と同じ径を有して軸方向の先端側に凸を形成する半球面である。
【００１１】
そして、本願の第１発明によれば、燃料噴射ノズルは、軸（β）と軸（γ）との間に形成される角度の２倍の角度として定義されるコーン角（θ）に関し、不等式１００°≦θ≦１９４°を満たす。
【００１２】
これにより、第１構造を備えるノズルにおいて噴射圧を２２０ＭＰａまで高めても、流量係数Ｃｄを０．８２以上にすることができる。なお、流量係数Ｃｄは、下記の数式１で定義されるものである。
〔数式１〕ｑ＝Ｃｄ・Ａ・（２・Ｐｄｉｆ／ρ）１／２
ここで、ｑは、単一の噴孔から噴射される燃料の噴射量であり、Ａは、噴孔の出口の断面積であり、Ｐｄｉｆは、噴射圧と燃料が噴射される空間（内燃機関の気筒内）の圧力との差圧であり、ρは、燃料の密度である（ｑ、Ａ、Ｐｄｉｆおよびρの単位はＭＫＳ単位系である。）。
【００１３】
すなわち、本発明者らの鋭意検討によれば、第１構造を備えるノズルにおいてコーン角（θ）の上限値を１９４°とすることにより（つまり、コーン角（θ）を１９４°以下とすることにより、）、噴射圧が２２０ＭＰａ以下の範囲では、流量係数Ｃｄが０．８２以上になることを確認することができた。
【００１４】
また、コーン角（θ）の下限値である１００°は、気筒内における燃料の噴霧の集中により燃料の燃焼が不利にならないか否か、および、ノズルボディの先端近傍の機械的な強度が不利にならないか否かの点に基づき定まるものである。
【００１５】
つまり、コーン角（θ）が小さくなるほど、軸（γ）が軸（β）に平行に近づくので、燃料の噴射方向が噴孔間で似通ったものとなって燃料の噴霧がノズルの軸方向の直下に集中してくる。このため、気筒内において燃料の燃焼の偏りが著しくなり、出力が低下したりエミッションが悪化したりする。また、コーン角（θ）が小さくなるほど、ノズルボディの先端近傍において噴孔が設けられる領域は狭くなっていく。このため、コーン角（θ）が小さいほど、ノズルボディの先端近傍の機械的な強度が低下する虞が高まる。
【００１６】
以上により、第１構造を備えるノズルにおいて、不等式１００°≦θ≦１９４°を満たすようにコーン角（θ）を設定することで、噴射圧を２２０ＭＰａまで高めても流量係数Ｃｄを０．８２以上にすることができる。
【００１７】
本願の第１発明に従属する第２発明よれば、燃料噴射ノズルは、コーン角（θ）に関し、不等式１００°≦θ≦１８６°を満たす。
本発明者らの鋭意検討によれば、第１構造を備えるノズルにおいてコーン角（θ）の上限値を１８６°とすることにより（つまり、コーン角（θ）を１８６°以下とすることにより、）、噴射圧が２４０ＭＰａ以下の範囲では、流量係数Ｃｄが０．８２以上になることを確認することができた。
【００１８】
このため、第１構造を備えるノズルにおいて、不等式１００°≦θ≦１８６°を満たすようにコーン角（θ）を設定することで、噴射圧を２４０ＭＰａまで高めても流量係数Ｃｄを０．８２以上にすることができる。
【００１９】
本願の第２発明に従属する第３発明よれば、燃料噴射ノズルは、コーン角（θ）に関し、不等式１００°≦θ≦１７５°を満たす。
本発明者らの鋭意検討によれば、第１構造を備えるノズルにおいてコーン角（θ）の上限値を１７５°とすることにより（つまり、コーン角（θ）を１７５°以下とすることにより、）、噴射圧が２６０ＭＰａ以下の範囲では、流量係数Ｃｄが０．８２以上になることを確認することができた。
【００２０】
このため、第１構造を備えるノズルにおいて、不等式１００°≦θ≦１７５°を満たすようにコーン角（θ）を設定することで、噴射圧を２６０ＭＰａまで高めても流量係数Ｃｄを０．８２以上にすることができる。
【００２１】
本願の第４発明によれば、燃料噴射ノズルは、次の第２構造を備える。
ここで、第２構造によれば、壁部分の内、シート位置を含む部分であるシート面は、軸（β）と同軸の円錐面として設けられ軸方向先端側ほど小径であり、開口（１１ａ）もシート面に存在する。
そして、本願の第４発明によれば、燃料噴射ノズルは、コーン角（θ）に関し、不等式１００°≦θ≦１８９°を満たす。
【００２２】
すなわち、本発明者らの鋭意検討によれば、第２構造を備えるノズルにおいてコーン角（θ）の上限値を１８９°とすることにより（つまり、コーン角（θ）を１８９°以下とすることにより、）、噴射圧が２２０ＭＰａ以下の範囲では、流量係数Ｃｄが０．８２以上になることを確認することができた。
これにより、第２構造を備えるノズルにおいて、不等式１００°≦θ≦１８９°を満たすようにコーン角（θ）を設定することで、噴射圧を２２０ＭＰａまで高めても流量係数Ｃｄを０．８２以上にすることができる。
【００２３】
本願の第４発明に従属する第５発明よれば、燃料噴射ノズルは、コーン角（θ）に関し、不等式１００°≦θ≦１８１°を満たす。
本発明者らの鋭意検討によれば、第２構造を備えるノズルにおいてコーン角（θ）の上限値を１８１°とすることにより（つまり、コーン角（θ）を１８１°以下とすることにより、）、噴射圧が２４０ＭＰａ以下の範囲では、流量係数Ｃｄが０．８２以上になることを確認することができた。
【００２４】
このため、第２構造を備えるノズルにおいて、不等式１００°≦θ≦１８１°を満たすようにコーン角（θ）を設定することで、噴射圧を２４０ＭＰａまで高めても流量係数Ｃｄを０．８２以上にすることができる。
【００２５】
本願の第５発明に従属する第６発明よれば、燃料噴射ノズルは、コーン角（θ）に関し、不等式１００°≦θ≦１７０°を満たす。
本発明者らの鋭意検討によれば、第２構造を備えるノズルにおいてコーン角（θ）の上限値を１７０°とすることにより（つまり、コーン角（θ）を１７０°以下とすることにより、）、噴射圧が２６０ＭＰａ以下の範囲では、流量係数Ｃｄが０．８２以上になることを確認することができた。
【００２６】
このため、第２構造を備えるノズルにおいて、不等式１００°≦θ≦１７０°を満たすようにコーン角（θ）を設定することで、噴射圧を２６０ＭＰａまで高めても流量係数Ｃｄを０．８２以上にすることができる。
【００２７】
本願の第７発明によれば、燃料噴射ノズルは、次の第３構造を備える。
ここで、第３構造によれば、壁部分の内、シート位置を含む部分であるシート面は、軸（β）と同軸の円錐面として設けられ軸方向先端側ほど小径であって先端が円である。また、開口（１１ａ）を含む部分である噴孔開口面は、軸（β）と母線との間に形成される角度がシート面よりも小さく、かつ、軸（β）と同軸の円錐面として設けられ軸方向先端側ほど小径である。
そして、本願の第７発明によれば、燃料噴射ノズルは、コーン角（θ）に関し、不等式１００°≦θ≦１９１°を満たす。
【００２８】
すなわち、本発明者らの鋭意検討によれば、第３構造を備えるノズルにおいてコーン角（θ）の上限値を１９１°とすることにより（つまり、コーン角（θ）を１９１°以下とすることにより、）、噴射圧が２２０ＭＰａ以下の範囲では、流量係数Ｃｄが０．８２以上になることを確認することができた。
これにより、第３構造を備えるノズルにおいて、不等式１００°≦θ≦１９１°を満たすようにコーン角（θ）を設定することで、噴射圧を２２０ＭＰａまで高めても流量係数Ｃｄを０．８２以上にすることができる。
【００２９】
本願の第７発明に従属する第８発明よれば、燃料噴射ノズルは、コーン角（θ）に関し、不等式１００°≦θ≦１８３°を満たす。
本発明者らの鋭意検討によれば、第３構造を備えるノズルにおいてコーン角（θ）の上限値を１８３°とすることにより（つまり、コーン角（θ）を１８３°以下とすることにより、）、噴射圧が２４０ＭＰａ以下の範囲では、流量係数Ｃｄが０．８２以上になることを確認することができた。
【００３０】
このため、第３構造を備えるノズルにおいて、不等式１００°≦θ≦１８３°を満たすようにコーン角（θ）を設定することで、噴射圧を２４０ＭＰａまで高めても流量係数Ｃｄを０．８２以上にすることができる。
【００３１】
本願の第８発明に従属する第９発明よれば、燃料噴射ノズルは、コーン角（θ）に関し、不等式１００°≦θ≦１７２°を満たす。
本発明者らの鋭意検討によれば、第３構造を備えるノズルにおいてコーン角（θ）の上限値を１７２°とすることにより（つまり、コーン角（θ）を１７２°以下とすることにより、）、噴射圧が２６０ＭＰａ以下の範囲では、流量係数Ｃｄが０．８２以上になることを確認することができた。
【００３２】
このため、第３構造を備えるノズルにおいて、不等式１００°≦θ≦１７２°を満たすようにコーン角（θ）を設定することで、噴射圧を２６０ＭＰａまで高めても流量係数Ｃｄを０．８２以上にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】燃料噴射ノズルの全体を示す断面図である（実施例１〜１２および比較例１〜９）。
【図２】燃料噴射ノズルの要部を示す部分断面図である（実施例１〜１２および比較例１〜９）。
【図３】コーン角θ、噴射圧および流量係数Ｃｄの相関を示す特性図である（実施例１〜１２および比較例１〜９）。
【図４】燃料噴射ノズルの要部を示す部分断面図である（実施例１３〜２４および比較例１０〜１８）。
【図５】コーン角θ、噴射圧および流量係数Ｃｄの相関を示す特性図である（実施例１３〜２４および比較例１０〜１８）。
【図６】燃料噴射ノズルの要部を示す部分断面図である（実施例２５〜３６および比較例１９〜２７）。
【図７】コーン角θ、噴射圧および流量係数Ｃｄの相関を示す特性図である（実施例２５〜３６および比較例１９〜２７）。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
以下、発明を実施するための形態を以下の実施例１〜３６および比較例１〜２７に基づいて説明する。
なお、実施例１〜１２および比較例１〜９の燃料噴射ノズル（以下、ノズルと呼ぶことがある。）は、ノズルボディの先端近傍の内壁に関して、後記する第１構造を備えるものであり、実施例１〜１２および比較例１〜９をまとめて第１グループと呼ぶことがある。
【００３５】
また、実施例１３〜２４および比較例１０〜１８のノズルは、ノズルボディの先端近傍の内壁に関して、後記する第２構造を備えるものであり、実施例１３〜２４および比較例１０〜１８をまとめて第２グループと呼ぶことがある。
さらに、実施例２５〜３６および比較例１９〜２７のノズルは、ノズルボディの先端近傍の内壁に関して、後記する第３構造を備えるものであり、実施例２５〜３６および比較例１９〜２７をまとめて第３グループと呼ぶことがある。
【実施例】
【００３６】
〔第１グループの構成〕
第１グループのノズル１の構成を、図面を用いて説明する。
なお、第１グループにおいて実施例１〜１２および比較例１〜９のノズル１は、後記するコーン角θおよび噴射圧の点で互いに相違する。
ノズル１は、開弁して燃料を噴射するものであり、ノズル１を開弁駆動または閉弁駆動するアクチュエータ（図示せず。）とともに燃料噴射弁を構成する。そして、燃料噴射弁は、例えば、内燃機関（図示せず。）に搭載され、１００ＭＰａを超える高圧の燃料を気筒内に直接噴射するために用いられる。
【００３７】
なお、アクチュエータは、例えば、ノズル１の弁体（後記するニードル２）に作用する背圧を増減して弁体を駆動するものであり、コイル（図示せず。）への通電により発生する磁気力を利用して背圧室（図示せず。）を開閉することで背圧を増減する。
そして、燃料噴射弁は、例えば、燃料を高圧化して吐出する燃料供給ポンプ（図示せず。）、および、燃料供給ポンプから吐出された燃料を高圧状態で蓄圧する蓄圧容器（図示せず。）とともに蓄圧式の燃料供給装置を構成し、蓄圧容器から高圧の燃料を分配されて気筒内に噴射する。
【００３８】
ノズル１は、図１に示すように、円筒状のノズルボディ３と、ノズルボディ３の内周に軸方向に移動可能となるように収容される弁体としてのニードル２とを備える。そして、ノズル１は、ニードル２がノズルボディ３の内周で軸方向に移動することで燃料の噴射を開始または停止する。
【００３９】
ここで、ニードル２は、ノズルボディ３により軸方向に摺動自在に支持される摺動軸部２ａ、および、実質的に弁部として機能する円錐状の先端部２ｂを有し、摺動軸部２ａと先端部２ｂとの間は軸方向に長い円柱部２ｃをなす。
ノズルボディ３の内周は、軸方向に長い円筒状をなし先端が閉じられている。また、ノズルボディ３の内周の一部は、局部的に径方向に拡大され、噴射すべき燃料が一時的に溜まる燃料溜まり４をなす。
【００４０】
そして、ノズルボディ３の内周の内、燃料溜まり４の軸方向後端側の領域は、摺動軸部２ａを摺動自在に支持するための摺動孔５をなし、燃料溜まり４の軸方向先端側の領域は、先端部２ｂおよび円柱部２ｃを収容して円環筒状の燃料通路６を形成する。なお、ノズルボディ３には、蓄圧容器から受け入れた燃料を燃料溜まり４に導くための燃料通路７が、別途、燃料溜まり４に接続している。
【００４１】
以下、ノズル１の特徴的な構成を、図２を用いて説明する。
ノズル１は、特徴的な構成として、シート位置１０および噴孔１１を備え、さらに、ノズルボディ３の先端近傍の内壁の形状を規定する第１構造を備える。また、ノズル１は、後記するコーン角θに関して種々の数値が設定されている。
【００４２】
まず、シート位置１０は、ノズルボディ３の先端近傍の内壁の一部であり、先端部２ｂに設けられたシート部１３が離着する。
ここで、先端部２ｂの外周面は、例えば、３つの異なる円錐面１４ａ、１４ｂ、１４ｃが先端から軸方向後端側に同軸に連続するものであり、円錐面１４ａ〜１４ｃは、それぞれの母線とニードル２の軸αとの間に形成される角度が先端側ほど大きくなっている。そして、円錐面１４ａ、１４ｂ同士の交線１５ａ、および円錐面１４ｂ、１４ｃ同士の交線１５ｂは軸αに垂直な円であり、交線１５ｂがシート部１３として機能し、シート位置１０は円形である。
【００４３】
また、噴孔１１は、シート位置１０よりも軸方向の先端側でノズルボディ３の内壁に開口し、シート部１３がシート位置１０から離座することでノズルボディ３の内周から外部に燃料を導く。つまり、シート部１３がシート位置１０から離座することで、シート部１３とシート位置１０との間に隙間が形成され、この隙間を通って燃料通路６から噴孔１１に燃料が導入されてノズルボディ３の外部に噴射される。なお、噴孔１１の軸γは、ノズルボディ３の軸βに交差する。
【００４４】
また、第１構造とは、ノズルボディ３の先端近傍の内壁の内、シート位置１０を含む部分であるシート面と、ノズルボディ３の内壁における噴孔１１の開口１１ａを含む部分である噴孔開口面との関係を規定するものである。より詳しくは、第１構造によれば、シート面および噴孔開口面は、次のように規定される。まず、シート面は、軸βと同軸の円錐面として設けられ軸方向先端側ほど小径であって先端が円である、というものである。また、噴孔開口面は、軸βと同軸であってシート面の先端の径以下の径を有する円筒面、または、この円筒面の軸方向の先端側に連続するとともに、円筒面の径と同じ径を有して軸方向の先端側に凸を形成する半球面である、というものである。
【００４５】
より具体的に説明すると、ノズルボディ３の先端近傍の内壁は、以下の円錐面１７、円筒面１８および半球面１９を有し、ノズルボディ３の内周先端を袋状に閉じている。
円錐面１７は、軸βと同軸に設けられ、軸方向先端側ほど小径であって先端が円２０である。そして、円錐面１７は、シート位置１０を含んでシート面となっている。
【００４６】
また、円筒面１８は、軸βと同軸に設けられ、円２０と同径であって円２０から軸方向先端側に連続する。さらに、半球面１９は、円筒面１８と同径であり、軸方向先端側に凸を形成するように円筒面１８に連続する。そして、開口１１ａは、円筒面１８と半球面１９とに跨るように設けられ、円筒面１８、半球面１９は、噴孔開口面となっている。
【００４７】
次に、コーン角θについて説明する。
コーン角θは、軸βと軸γとの間に形成される角度の２倍の角度として定義されるものである。例えば、図２に示すように、２つの噴孔１１が軸βを挟んで対称に設けられ、かつ、対称をなす２つの噴孔１１の軸γが軸βと同一の平面上に存在する場合、コーン角θは、２つの噴孔１１の内の一方の噴孔１１の軸γと他方の噴孔１１の軸γとのなす角度に略一致する。
【００４８】
そして、コーン角θ、噴射圧をパラメータとして変化させて実施例１〜１２および比較例１〜９とし、実施例１〜１２および比較例１〜９のそれぞれのノズル１において、数式１により規定される流量係数Ｃｄがいかなる数値となるかを調査した。なお、噴射圧とは、噴孔１１から噴射される燃料の圧力であり、燃料溜まり４や燃料通路５、６、または蓄圧容器内において燃料が示す圧力に略一致するものである。
【００４９】
調査結果を下記の表１に示す。なお、噴射圧には２２０ＭＰａ、２４０ＭＰａ、２６０ＭＰａの３つの数値を用いている。具体的には、実施例１〜４および比較例１〜３が噴射圧を２２０ＭＰａとしたものであり、実施例５〜８および比較例４〜６が噴射圧を２４０ＭＰａとしたものであり、実施例９〜１２および比較例７〜９が噴射圧を２６０ＭＰａとしたものである。
〔表１〕
2014194203.tif 000003
【００５０】
さらに、横軸、縦軸にそれぞれコーン角θ、流量係数Ｃｄをとるとともに、噴射圧の３つの数値ごとにマークの形状を変えて表１の結果を図３のグラフに図示した。
この結果、コーン角θと流量係数Ｃｄとの相関は、噴射圧の数値ごとに異なる曲線を描き、噴射圧が高い曲線ほど図示左側（コーン角θの小側）に現れることが判明した。また、それぞれの曲線は、上に凸を示す２次関数（２次の項が負の係数を有する２次関数）により近似できることが判明した。
【００５１】
そこで、３つの噴射圧ごとにコーン角θと流量係数Ｃｄとの相関を２次関数として求めた。さらに、これら３つの２次関数それぞれに、流量係数Ｃｄの下限として許容することができる数値０．８２を当てはめ、流量係数Ｃｄが０．８２になるときのコーン角θの数値を噴射圧ごとに求めた。この計算により得られたコーン角θの数値は、噴射圧２２０、２４０、２６０ＭＰａそれぞれの相関において１９４°、１８６°、１７５°であった。
【００５２】
この結果、第１構造を備えるノズル１においてコーン角θの上限値を１９４°とすることにより（つまり、コーン角θを１９４°以下とすることにより、）、噴射圧が２２０ＭＰａ以下の範囲では、流量係数Ｃｄが０．８２以上になることを確認することができた。また、コーン角θの上限値を１８６°とすることにより（つまり、コーン角θを１８６°以下とすることにより、）、噴射圧が２４０ＭＰａ以下の範囲では、流量係数Ｃｄが０．８２以上になることを確認することができた。さらに、コーン角θの上限値を１７５°とすることにより（つまり、コーン角θを１７５°以下とすることにより、）、噴射圧が２６０ＭＰａ以下の範囲では、流量係数Ｃｄが０．８２以上になることを確認することができた。
【００５３】
〔実施例１〜１２の効果〕
実施例１〜４のノズル１によれば、コーン角θは不等式θ≦１９４°を満たすとともに噴射圧は２２０ＭＰａであり、流量係数Ｃｄはいずれも０．８２以上であった。また、比較例１〜３のノズル１によれば、コーン角θは１９４°よりも大きく、噴射圧は２２０ＭＰａであり、流量係数Ｃｄはいずれも０．８２未満であった。
これにより、第１構造を備えるノズル１において、不等式θ≦１９４°を満たすようにコーン角θを設定することで、噴射圧を２２０ＭＰａまで高めても、流量係数Ｃｄを０．８２以上にすることができる。
【００５４】
なお、コーン角θの下限値は、気筒内における燃料の噴霧の集中により燃料の燃焼が不利にならないか否か、および、ノズルボディ３の先端近傍の機械的な強度が不利にならないか否かの点に基づき定まるものである。
【００５５】
つまり、コーン角θが小さくなるほど、軸γが軸βに平行に近づくので、複数の噴孔１１間で燃料の噴射方向が似通ったものとなって燃料の噴霧がノズル１の軸方向の直下に集中してくる。このため、気筒内において燃料の燃焼の偏りが著しくなり、出力が低下したりエミッションが悪化したりする。また、コーン角θが小さくなるほど、ノズルボディ３の先端近傍に複数の噴孔１１が集中して設けられるようになり、噴孔１１の存在領域が狭くなっていく。このため、コーン角θが小さいほど、ノズルボディ３の先端近傍の機械的な強度が低下する虞が高まる。
以上の観点から、コーン角θの下限値は、例えば、１００°に設定することができる。
【００５６】
以上により、第１構造を備えるノズル１において、不等式１００°≦θ≦１９４°を満たすようにコーン角θを設定することで、噴射圧を２２０ＭＰａまで高めても流量係数Ｃｄを０．８２以上にすることができる。
【００５７】
実施例５〜８のノズル１によれば、コーン角θは不等式１００°≦θ≦１８６°を満たすとともに噴射圧は２４０ＭＰａであり、流量係数Ｃｄはいずれも０．８２以上であった。また、比較例４〜６のノズル１によれば、コーン角θは１８６°よりも大きく、噴射圧は２４０ＭＰａであり、流量係数Ｃｄはいずれも０．８２未満であった。
これにより、第１構造を備えるノズル１において、不等式１００°≦θ≦１８６°を満たすようにコーン角θを設定することで、噴射圧を２４０ＭＰａまで高めても流量係数Ｃｄを０．８２以上にすることができる。
【００５８】
実施例９〜１２のノズル１によれば、コーン角θは不等式１００°≦θ≦１７５°を満たすとともに噴射圧は２６０ＭＰａであり、流量係数Ｃｄはいずれも０．８２以上であった。また、比較例７〜９のノズル１によれば、コーン角θは１７５°よりも大きく、噴射圧は２６０ＭＰａであり、流量係数Ｃｄはいずれも０．８２未満であった。
これにより、第１構造を備えるノズル１において、不等式１００°≦θ≦１７５°を満たすようにコーン角θを設定することで、噴射圧を２６０ＭＰａまで高めても流量係数Ｃｄを０．８２以上にすることができる。
【００５９】
〔第２グループの構成〕
第２グループのノズル１の構成を、図４を用いて説明する。
なお、第２グループにおいて実施例１３〜２４および比較例１０〜１８のノズル１は、コーン角θおよび噴射圧の点で互いに相違する。
第２グループのノズル１は、ノズルボディ３の先端近傍の内壁の形状を規定する構造として、次の第２構造を備える。
【００６０】
ここで、第２構造とは、第１構造と同様にシート面と噴孔開口面との関係を規定するものであるが、第２構造によれば、図４に示すようにシート面および噴孔開口面は共通の円錐面１７であって、共通の円錐面１７にシート位置１０および開口１１ａが両方とも存在する。
【００６１】
すなわち、第２構造は、シート面が軸βと同軸の円錐面１７として設けられ軸方向先端側ほど小径であり、シート面に開口１１ａが存在する、というものである。
なお、実施例２のノズル１によれば、ノズルボディ３の先端近傍の内壁には、第１グループ１のノズル１に存在した円筒面１８、半球面１９に相当する部分が存在せず、内周先端には、研削による逃し２２が形成されている。
【００６２】
次に、第２グループのコーン角θについて説明する。
第２グループでは、コーン角θ、噴射圧をパラメータとして変化させて実施例１３〜２４および比較例１０〜１８とし、実施例１３〜２４および比較例１０〜１８のそれぞれのノズル１において流量係数Ｃｄがいかなる数値となるかを調査した。
【００６３】
調査結果を下記の表２に示す。なお、噴射圧には２２０ＭＰａ、２４０ＭＰａ、２６０ＭＰａの３つの数値を用いている。具体的には、実施例１３〜１６および比較例１０〜１２が噴射圧を２２０ＭＰａとしたものであり、実施例１７〜２０および比較例１３〜１５が噴射圧を２４０ＭＰａとしたものであり、実施例２１〜２４および比較例１６〜１８が噴射圧を２６０ＭＰａとしたものである。
〔表２〕
2014194203.tif 000004
【００６４】
さらに、横軸、縦軸にそれぞれコーン角θ、流量係数Ｃｄをとるとともに、噴射圧の３つの数値ごとにマークの形状を変えて表２の結果を図５のグラフに図示した。
この結果、コーン角θと流量係数Ｃｄとの相関は、噴射圧の数値ごとに異なる曲線を描き、噴射圧が高い曲線ほど図示左側（コーン角θの小側）に現れることが判明した。また、それぞれの曲線は、上に凸を示す２次関数により近似できることが判明した。
【００６５】
そして、第１グループと同様に、３つの噴射圧ごとにコーン角θと流量係数Ｃｄとの相関を２次関数として求め、これら３つの２次関数それぞれから、流量係数Ｃｄが０．８２になるときのコーン角θの数値を噴射圧ごとに求めた。この計算により得られたコーン角θの数値は、噴射圧２２０、２４０、２６０ＭＰａそれぞれの相関において１８９°、１８１°、１７０°であった。
【００６６】
この結果、第２構造を備えるノズル１においてコーン角θの上限値を１８９°とすることにより（つまり、コーン角θを１８９°以下とすることにより、）、噴射圧が２２０ＭＰａ以下の範囲では、流量係数Ｃｄが０．８２以上になることを確認することができた。また、コーン角θの上限値を１８１°とすることにより（つまり、コーン角θを１８１°以下とすることにより、）、噴射圧が２４０ＭＰａ以下の範囲では、流量係数Ｃｄが０．８２以上になることを確認することができた。さらに、コーン角θの上限値を１７０°とすることにより（つまり、コーン角θを１７０°以下とすることにより、）、噴射圧が２６０ＭＰａ以下の範囲では、流量係数Ｃｄが０．８２以上になることを確認することができた。
【００６７】
〔実施例１３〜２４の効果〕
実施例１３〜１６のノズル１によれば、コーン角θは不等式１００°≦θ≦１８９°を満たすとともに噴射圧は２２０ＭＰａであり、流量係数Ｃｄはいずれも０．８２以上であった。また、比較例１０〜１２のノズル１によれば、コーン角θは１８９°よりも大きく、噴射圧は２２０ＭＰａであり、流量係数Ｃｄはいずれも０．８２未満であった。
これにより、第２構造を備えるノズル１において、不等式１００°≦θ≦１８９°を満たすようにコーン角θを設定することで、噴射圧を２２０ＭＰａまで高めても、流量係数Ｃｄを０．８２以上にすることができる。
【００６８】
実施例１７〜２０のノズル１によれば、コーン角θは不等式１００°≦θ≦１８１°を満たすとともに噴射圧は２４０ＭＰａであり、流量係数Ｃｄはいずれも０．８２以上であった。また、比較例１３〜１５のノズル１によれば、コーン角θは１８１°よりも大きく、噴射圧は２４０ＭＰａであり、流量係数Ｃｄはいずれも０．８２未満であった。
これにより、第２構造を備えるノズル１において、不等式１００°≦θ≦１８１°を満たすようにコーン角θを設定することで、噴射圧を２４０ＭＰａまで高めても流量係数Ｃｄを０．８２以上にすることができる。
【００６９】
実施例２１〜２４のノズル１によれば、コーン角θは不等式１００°≦θ≦１７０°を満たすとともに噴射圧は２６０ＭＰａであり、流量係数Ｃｄはいずれも０．８２以上であった。また、比較例１６〜１８のノズル１によれば、コーン角θは１７０°よりも大きく、噴射圧は２６０ＭＰａであり、流量係数Ｃｄはいずれも０．８２未満であった。
これにより、第２構造を備えるノズル１において、不等式１００°≦θ≦１７０°を満たすようにコーン角θを設定することで、噴射圧を２６０ＭＰａまで高めても流量係数Ｃｄを０．８２以上にすることができる。
【００７０】
〔第３グループの構成〕
第３グループのノズル１の構成を、図６を用いて説明する。
なお、第３グループにおいて実施例２５〜３６および比較例１９〜２７のノズル１は、コーン角θおよび噴射圧の点で互いに相違する。
第３グループのノズル１は、ノズルボディ３の先端近傍の内壁の形状を規定する構造として、次の第３構造を備える。
【００７１】
ここで、第３構造とは、第１、第２構造と同様にシート面と噴孔開口面との関係を規定するものであるが、第３構造によれば、シート面および噴孔開口面は異なる２つの円錐面である。より詳しくは、第３構造によれば、シート面および噴孔開口面は、次のように規定される。すなわち、第３構造によれば、シート面は、軸βと同軸の円錐面として設けられ軸方向先端側ほど小径であって先端が円である。また、噴孔開口面は、軸βと母線との間に形成される角度がシート面よりも小さく、かつ、軸βと同軸の円錐面として設けられ軸方向先端側ほど小径である。
【００７２】
より具体的に説明すると、図６に示すように、ノズルボディ３の先端近傍の内壁は、以下の第１、第２円錐面１７ａ、１７ｂを有している。
第１、第２円錐面１７ａ、１７ｂは軸βと同軸であり、第１円錐面１７ａは、軸方向先端側ほど小径であって先端が円２０である。また、第２円錐面１７ｂは、円２０の軸方向先端側に連続しており、軸βと母線との間に形成される角度が第１円錐面１７ａよりも小さい。
【００７３】
そして、シート位置１０は第１円錐面１７ａに設けられ、第１円錐面１７ａがシート面となっている。また、開口１１ａは第２円錐面１７ｂに設けられ、第２円錐面１７ｂが噴孔開口面となっている。
なお、第３グループのノズル１によれば、ノズルボディ３の先端近傍の内壁には、第１グループのノズル１に存在した円筒面１８、半球面１９に相当する部分が存在せず、内周先端は、第３円錐面１７ｃにより閉じられている。
【００７４】
次に、第３グループのコーン角θについて説明する。
第３グループでは、コーン角θ、噴射圧をパラメータとして変化させて実施例２５〜３６および比較例１９〜２７とし、実施例２５〜３６および比較例１９〜２７のそれぞれのノズル１において流量係数Ｃｄがいかなる数値となるかを調査した。
【００７５】
調査結果を下記の表３に示す。なお、噴射圧には２２０ＭＰａ、２４０ＭＰａ、２６０ＭＰａの３つの数値を用いている。具体的には、実施例２５〜２８および比較例１９〜２１が噴射圧を２２０ＭＰａとしたものであり、実施例２９〜３２および比較例２２〜２４が噴射圧を２４０ＭＰａとしたものであり、実施例３３〜３６および比較例２５〜２７が噴射圧を２６０ＭＰａとしたものである。
〔表３〕
2014194203.tif 000005
【００７６】
さらに、横軸、縦軸にそれぞれコーン角θ、流量係数Ｃｄをとるとともに、噴射圧の３つの数値ごとにマークの形状を変えて表３の結果を図７のグラフに図示した。
この結果、コーン角θと流量係数Ｃｄとの相関は、噴射圧の数値ごとに異なる曲線を描き、噴射圧が高い曲線ほど図示左側（コーン角θの小側）に現れることが判明した。また、それぞれの曲線は、上に凸を示す２次関数により近似できることが判明した。
【００７７】
そして、第１、第２グループと同様に、３つの噴射圧ごとにコーン角θと流量係数Ｃｄとの相関を２次関数として求め、これら３つの２次関数それぞれから、流量係数Ｃｄが０．８２になるときのコーン角θの数値を噴射圧ごとに求めた。この計算により得られたコーン角θの数値は、噴射圧２２０、２４０、２６０ＭＰａそれぞれの相関において１９１°、１８３°、１７２°であった。
【００７８】
この結果、第３構造を備えるノズル１においてコーン角θの上限値を１９１°とすることにより（つまり、コーン角θを１９１°以下とすることにより、）、噴射圧が２２０ＭＰａ以下の範囲では、流量係数Ｃｄが０．８２以上になることを確認することができた。また、コーン角θの上限値を１８３°とすることにより（つまり、コーン角θを１８３°以下とすることにより、）、噴射圧が２４０ＭＰａ以下の範囲では、流量係数Ｃｄが０．８２以上になることを確認することができた。さらに、コーン角θの上限値を１７２°とすることにより（つまり、コーン角θを１７２°以下とすることにより、）、噴射圧が２６０ＭＰａ以下の範囲では、流量係数Ｃｄが０．８２以上になることを確認することができた。
【００７９】
〔実施例２５〜３６の効果〕
実施例２５〜２８のノズル１によれば、コーン角θは不等式１００°≦θ≦１９１°を満たすとともに噴射圧は２２０ＭＰａであり、流量係数Ｃｄはいずれも０．８２以上であった。また、比較例１９〜２１のノズル１によれば、コーン角θは１９１°よりも大きく、噴射圧は２２０ＭＰａであり、流量係数Ｃｄはいずれも０．８２未満であった。
これにより、第３構造を備えるノズル１において、不等式１００°≦θ≦１９１°を満たすようにコーン角θを設定することで、噴射圧を２２０ＭＰａまで高めても、流量係数Ｃｄを０．８２以上にすることができる。
【００８０】
実施例２９〜３２のノズル１によれば、コーン角θは不等式１００°≦θ≦１８３°を満たすとともに噴射圧は２４０ＭＰａであり、流量係数Ｃｄはいずれも０．８２以上であった。また、比較例２２〜２４のノズル１によれば、コーン角θは１８３°よりも大きく、噴射圧は２４０ＭＰａであり、流量係数Ｃｄはいずれも０．８２未満であった。
これにより、第３構造を備えるノズル１において、不等式１００°≦θ≦１８３°を満たすようにコーン角θを設定することで、噴射圧を２４０ＭＰａまで高めても流量係数Ｃｄを０．８２以上にすることができる。
【００８１】
実施例３３〜３６のノズル１によれば、コーン角θは不等式１００°≦θ≦１７２°を満たすとともに噴射圧は２６０ＭＰａであり、流量係数Ｃｄはいずれも０．８２以上であった。また、比較例２５〜２７のノズル１によれば、コーン角θは１７２°よりも大きく、噴射圧は２６０ＭＰａであり、流量係数Ｃｄはいずれも０．８２未満であった。
これにより、第３構造を備えるノズル１において、不等式１００°≦θ≦１７２°を満たすようにコーン角θを設定することで、噴射圧を２６０ＭＰａまで高めても流量係数Ｃｄを０．８２以上にすることができる。
【００８２】
〔変形例〕
ノズル１の態様は実施例に限定されず、種々の変形例を考えることができる。例えば、第２構造を備えるノズル１において、サック室の先端を、軸βに垂直な平面に設けてもよい。
【符号の説明】
【００８３】
１  ノズル（燃料噴射ノズル）  ２  ニードル  ３  ノズルボディ  １０  シート位置
１１  噴孔  １１ａ  開口  １３  シート部  １７  円錐面  １８  円筒面  １９  半球面  ２０  円  θ  コーン角  β、γ  軸
【図１】
2014194203.tif 000006
【図２】
2014194203.tif 000007
【図３】
2014194203.tif 000008
【図４】
2014194203.tif 000009
【図５】
2014194203.tif 000010
【図６】
2014194203.tif 000011
【図７】
2014194203.tif 000012