(57)【要約】【課題】    燃料噴射弁において、噴射される燃料の貫徹力が抑制された噴霧を得る。【解決手段】    弁体との間で隙間を形成する弁座を備え、前記隙間を燃料が通過し、前記隙間よりも下流に複数個の噴射孔を備え、圧力が印加された燃料が該噴射孔から流出する燃料噴射弁において、  前記弁体と前記弁座が形成する前記隙間における燃料の流速がメートル毎秒で表わされる時、前記燃料圧力の平方根に２８を乗じた値よりも前記流速が大きくなるように設定することにより、前記隙間における流速を増大させ、前記噴射孔内での流速分布を均一化させることにより、ペネトレーションの増大を抑制する。【選択図】図3(b)
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
弁体との間で隙間を形成する弁座を備え、前記隙間を燃料が通過し、前記隙間よりも下流に複数個の噴射孔を備え、圧力が印加された燃料が該噴射孔から流出する燃料噴射弁において、
前記弁体と前記弁座が形成する前記隙間における燃料の流速が、前記燃料に印加された圧力の平方根に２８を乗じた値よりも大きくなるように設定された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であって、前記噴射孔の入口にＲ形状を設け、前記隙間における燃料の流速を高めたことを特徴とする燃料噴射弁。
【請求項３】
請求項１乃至２に記載の燃料噴射弁であって、前記噴射孔の総断断面積は前記隙間における流路断面積よりも大きいことを特徴とする燃料噴射弁。
【請求項４】
請求項１乃至３に記載の燃料噴射弁であって、前記噴射孔の断面形状が楕円状に穿孔された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であって、前記噴射孔の軸と前記噴射孔が穿孔されている面とが交わる位置において、該面と垂直な方向から前記噴射孔を見た時の前記噴射孔の入口形状が為す面積よりも、前記噴射孔の出口の形状を噴射孔の軸の方向から見た時の断面積の方が大きくなるように設定されたことを特徴とする燃料噴射弁。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関に用いられる燃料噴射弁であって、該噴射弁の開閉が電磁力によって行われる電磁式燃料噴射弁のものに関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関としてガソリンなどを燃料とする、火花点火式の内燃機関（ガソリンエンジン）のうち、特に燃焼室内に直接燃料を噴射する方式のエンジン（直噴エンジン）に用いる燃料噴射弁に関する。
【０００３】
ガソリンエンジンでは、空気と燃料の混合比である空燃比が大きすぎたり小さすぎる場合には点火できなくなることがある。また、混合気の空燃比が理論空燃比に対して大きい場合や小さい場合には、空気が過剰であったり燃料が過剰であったりするために、窒素酸化物が生じたり、未燃燃料成分（ＨＣ）が生じる原因になることがある。このため、空燃比が所定の値になるような燃料量を噴射するように、燃料噴射量が調整されて燃料が燃焼室に供給される。
【０００４】
直噴エンジンでは、燃料噴射弁の燃料噴射孔はエンジンの燃焼室に直接露出して設置されている。燃料は、燃料噴射弁によって噴霧状となって燃焼室に直接噴射される。燃料が噴射されるタイミングは、一般的には吸気行程から圧縮行程の範囲であり、ここで燃料は空気と混合して混合気を形成する。一般的なポート噴射エンジンでは、燃料は排気行程中の吸気ポートに噴射され、その後に吸気行程で混合気が燃焼室に吸入されしかる後に点火される方式であるのに対して、直噴エンジンでは噴射してから混合気を形成するまでの時間が短く、なおかつ噴射される先が燃焼室であるという差異がある。
【０００５】
このため、直噴エンジンの燃焼室の内部で形成される混合気には、燃料濃度の濃淡が局所的に生じることがあり、この燃料濃度の濃淡がしばしば窒素酸化物や未燃燃料成分の生成の一因となることがある。
【０００６】
特に、燃焼室に直接噴射された燃料が、ピストン冠面、シリンダ壁面、エンジンヘッド壁面やバルブなどの燃焼室壁面に到達し、付着してしまうと、燃料の濃度が壁面の付近で局所的に上昇し、これが未燃燃料成分（ＨＣ）の発生原因になってしまったり、あるいは酸素不足の状態で未燃燃料成分がすすに変質し、すすが排出される原因になってしまう場合があった。
【０００７】
この問題に対応するために、燃料噴霧がバルブや燃焼室壁面に衝突し難いように、噴霧の形状を燃料の噴射点と燃焼室の形状に合わせて調整する必要がある。このため、直噴ガソリンエンジンでは噴霧形状の設計自由度が高いことが求められる。噴霧形状の設計自由度を高めるためには、噴霧を形成する噴射孔が複数あり、それぞれの噴射方向を所望の方向に設定できるマルチホールノズルが有効である。
【０００８】
また、前述したような燃焼室壁面への燃料噴霧の付着を増大させてしまう一因として、燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧の貫徹力（ペネトレーション）が大きいことが挙げられる。ペネトレーションが大きい噴霧は、噴射点から遠い位置に短時間で到達してしまう。このため、ペネトレーションが大きい噴霧は、燃料が噴射されて十分に空気と混合するよりも前に、燃焼室壁面に到達し、付着してしまう場合がある。
【０００９】
特許文献１にある方法は、このような問題に対処する方法の一つである。特許文献１には、噴射される燃料の流速を減じてペネトレーションを減衰させる方法について開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２０００−３４５９４４号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
特許文献１記載の方法では、弁体と弁座との隙間より下流の燃料通路体積が大きく、弁の開閉時間によって計量された燃料のうち、一部分は燃焼室に噴射されずに該下流の燃料通路体積部分に残留してしまう量が多くなるおそれがあった。多くの燃料が残留すると、残留した燃料が燃焼行程（膨張行程）における高温にさらされて蒸発し、周囲に空気が不足するために未燃燃料成分として排出される原因となったり、内部に残留した未燃燃料が高温によって分子量を増し、すす状の固形物として内部に溜まり易くなってしまう可能性がある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたものであり、弁体との間で隙間を形成する弁座を備え、前記隙間を燃料が通過し、前記隙間よりも下流に複数個の噴射孔を備え、圧力が印加された燃料が該噴射孔から流出する燃料噴射弁において、
前記弁体と前記弁座が形成する前記隙間における燃料の流速が、前記燃料に印加された圧力の平方根に２８を乗じた値よりも大きくなるように設定した。
【発明の効果】
【００１３】
噴霧のペネトレーションが短い噴射ノズルを得られるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明に係る燃料噴射弁の第一の実施例を示す断面図である。
【図２】本発明に係る燃料噴射弁の断面図であって、閉弁状態にある状態の可動子近傍を拡大した図である。
【図３（ａ）】本発明に係る燃料噴射弁の断面図であって、流速が遅い場合の開弁状態にある状態の可動子近傍を拡大した図である。
【図３（ｂ）】本発明に係る燃料噴射弁の断面図であって、流速が早い場合の開弁状態にある状態の可動子近傍を拡大した図である。
【図４】本発明に係る燃料噴射弁の弁動作を表わす模式図である。
【図５】本発明に係る燃料噴射弁の噴射孔を楕円にした場合の弁動作を表わす模式図及びｃ−ｃ断面でｃ矢印から見た模式図である。
【図６】シート部における流速とペネトレーションの関係を表した図である。
【発明を実施するための形態】
【実施例１】
【００１５】
図１は、本発明に係る燃料噴射弁の例を示す断面図である。図１に示した電磁式燃料噴射弁は、弁体１０２が上下動することによって、弁座１０１との隙間が開閉し、燃料の噴射と停止を制御するＯＮ／ＯＦＦ弁である。
【００１６】
コイル１０３への通電が為されていない状態では、弁体１０２は付勢ばね１０４によって弁座１０１の方向に付勢され、弁は閉じた状態である。コイル１０３に通電を開始すると、磁気コア１１３と可動子１０６の間に磁気吸引力が生じ、可動子１０６は弁体１０２と共に磁気コア１１３の方向に変位して弁が開く。このとき、弁座１０１と弁体１０２の間には隙間を生じ、燃料はこの隙間を通過して噴射孔１０７に至り、噴射孔１０７から噴射される。
【００１７】
図２は、本発明に係る燃料噴射弁の噴射孔１０７の近傍を拡大した噴射ノズルの断面図である。図２に示した燃料噴射弁の噴射ノズルでは、弁体１０２は一部分が球面として形成され、弁座１０１は円錐面として形成されている。弁が閉じた状態（閉弁状態）で、弁体１０２は、シート部２０１で弁座１０１と接触するようになっている。シート部２０１では、弁が開いた状態の時に、シート面２０３と弁体１０２の表面とのなす距離が最も狭まるようになっている。弁が開いた状態（開弁状態）では、シート部２０１の流路面積が、その直上流、および直下流で最も小さくなるようになっている。このため、シート部２０１における燃料の流速は、その直上流および直下流の範囲で最も大きくなるようになっている。この流速が、シート部流速である。
【００１８】
燃料はシート部２０１で高速になった後、噴射孔１０７に流入する。流入した燃料は、噴射孔１０７の内部で噴射孔の軸２０２方向の流速の成分（軸方向流速）と、噴射孔の軸２０２に垂直な流速成分（広がり方向流速）とを持ちながら、噴射孔１０７の外側へと噴射される。
【００１９】
噴射された後の燃料は、霧状の噴霧となって、広がりを持ちながら進行する。ここで、ペネトレーションは一定時間後の噴霧の到達距離で定義することができる。ペネトレーションを測ることによって、噴霧が遠くまで到達し易いか、短い距離で留まり易いかを知ることができる。
【００２０】
噴霧のペネトレーションは噴射孔から燃料が噴出した時の初速度と、噴出後に液滴が受ける空気抵抗の影響を強く受ける。噴出時の初速度はペネトレーションを決定づける主要因であり、噴孔の軸方向流速がこの初速度に該当する。ペネトレーションを短くするためには、この初速度が小さいことが必要になる。
【００２１】
また、液滴が受ける空気抵抗も、ペネトレーションに影響を与える因子である。空気抵抗は、噴霧の広がりの影響を受ける。噴霧が広がって噴射されると、噴霧中の液滴間の距離が広がり、ある液滴の近隣の液滴が形成する空気流動の影響を受けにくくなる。近隣の液滴が形成する空気流動は、ある液滴自体の速度に近いので、近隣の液滴が形成する空気流動の影響を受ければ受けるほど、液滴と空気との相対速度は小さくなり、したがって空気抵抗は小さくなってしまう。逆に、近隣の液滴が形成する空気流動の影響が小さければ、空気抵抗は大きくなる傾向がある。このことから、噴霧が広がって液滴同士の距離が大きいと、液滴が受ける空気抵抗が大きくなり易く、したがってペネトレーションを短くし易くなる。噴霧を広げ、短いペネトレーションを得るためには、噴射孔内での広がり方向流速を大きくすればよい。
【００２２】
このように、短いペネトレーションを得るためには、軸方向流速を低減し、広がり方向流速を増やすことが有効である。
【００２３】
本発明では、軸方向流速の低減と広がり方向流速の増大を両立させるために、シート部２０１における流速の増大させる構成にした。シート部２０１における流速を増大させると、シート部２０１部分での圧力損失が大きくなり、そのままでは噴射弁の単位時間当たりの噴射量（静流）は低下する。そこで所定の静流を得るために、シート部２０１での流速の設計値に応じて噴射孔１０７の総断面積を大きくする。一般的な多孔式の燃料噴射弁では、噴射孔は複数あり、これらの総断面積が大きくなるように設計するとよい。
【００２４】
シート部での流速（単位ｍ／ｓ）は、シート面２０３と弁体１０２の表面とが為す隙間部の燃料通路面積をＡ（ｍ3）としたときに、静流Ｑ（ｍ3／ｓ）をＡで除すことで算出できる。また、本実施例のようにシート面２０３が円錐面状であり、この面と弁体１０２の表面とが接触して弁を開閉する場合には、また、円錐面の頂角θ（゜）（シート角）と弁のリフト量Ｙ（ｍ）、およびシート面２０３と弁体１０２との接触位置が形成する円径Ｄｓ（ｍ）（シート径）を用いて、シート部流速ｖを次の（１）式のように計算できる。
ｖ＝Ｑ／｛Ｄｓ・Ｙ・π・Ｓｉｎ（θ／２｝）        ・・・（１）
この関係は、シート面が本実施例のような円錐面でない場合には、弁体１０２の接触部と接する面と、噴射弁の軸が為す角度の二倍をθとして用いて計算することもできる。また、弁体１０２とシート面２０３との接触部の円が複数ある場合や、円が幅を持っている場合には、最も小さい円の値を用いることで、シート部に生じる流速の最も大きい値を評価できるようになる。
【００２５】
このようにしして計算されるシート部２０１での流速が大きく、噴射孔１０７の断面積が大きい場合には、静流を噴射孔の総断面積で除した値で評価できる噴射孔１０７における平均軸方向流速を小さくすることができる。この平均軸方向流速は、噴射される燃料の初速であるから、平均軸方向流速が小さいことによって短いペネトレーションを得られる。
【００２６】
また、このようにシート部２０１における流速が大きく、噴孔１０７出口での噴射初速が遅い場合には、燃料の流れはシート部２０１から噴孔１０７へ向かう減速流れとなる。すなわち、シート部２０１における流速よりも噴孔１０７における流速の方が小さい状態になる。一般的に、減速流れでの流れは不安定になり易い。このため、減速流れによって噴孔１０７での流れは乱れの成分を多く持ちやすくなり、この乱れ成分によって噴孔内の流速分布は一様化されやすくなる。すなわち、図３（ｂ）に示す流速分布のように、噴孔内壁面３０１ｂから噴孔中心軸２０２ｂに至る位置までの噴孔軸方向流速の流速分布３０２ｂが、噴孔内壁面３０１ｂの近傍で勾配が大きく噴孔中心軸２０２ｂの周囲では平滑化され易い。図３（ａ）はシート部２０１での流速３０３ａが遅い場合の例であり、シート部２０１での流速３０３ｂが速い場合を示した図３（ｂ）と比較して、流速の分布３０２ａは、噴孔内壁３０１ａの近傍で勾配が緩く、最大流速が大きい不均一な流速分布となり易い。
【００２７】
図３（ｂ）のように平滑化された流速分布では、速い流速と遅い流速の差が小さくなり、噴射孔からの単位時間当たりの流量が一定の時には、平滑化されない場合に比べて、速い流速になる部分を減らせたり、流速の最大値を減らす効果が得られる。噴孔内の流速分布に置いて、速い流速領域や流速の最大値が大きいことは、ペネトレーションの増大の原因となる。すなわち、速い流速領域や流速の最大値を小さくできる平滑化された流速分布を得ることで、ペネトレーションは短縮できる。このように、本発明によれば、シート部流速を増大させることで、噴射孔内での流速分布を平滑化し、ペネトレーションが短縮される。
【００２８】
また、シート部２０１における流速ベクトルは、噴孔軸方向とは異なる方向を向いている。このため、シート部２０１における流速の増大は、噴孔１０７の入口部において、噴射孔の軸２０２ａ、２０２ｂの方向とは異なる方向成分の流速、すなわち広がり方向の流速成分を増大させる効果がある。広がり方向の流速成分が増大することで、噴射された燃料は分散し、噴霧液滴間の距離が大きくなり、したがって雰囲気気体による抵抗が大きくなって、ペネトレーションが抑制されるようになる。
【００２９】
噴射孔に流入した流速は、噴射孔の内部で整流されて広がり方向の速度成分が失われてしまうと考えられるが、広がり方向成分の流速が十分な状態で流入させられれば、広がり方向成分の流速を持たせたまま流出させられる。
【００３０】
特に、上述の減速流れによる噴孔１０７での乱れ成分の増加や、噴孔１０７の出口での広がり方向成分の流速は、噴孔１０７の入口部分での流れの乱流への遷移が起こることでより助長される。
【００３１】
すなわち、噴孔入口で乱流への遷移が起こると、噴孔１０７内での乱れ成分が増加して流速の分布が平滑化され、最大流速が小さくなる。また、乱流への遷移によって噴孔出口における乱れ成分によって流速の広がり方向成分が大きくなる。
【００３２】
この結果、シート部２０１における流速とペネトレーションとの関係は図６のようになり、特に流速が速い領域で急激にペネトレーションが短縮される領域が現れる。横軸は、シート部２０１における流速を燃料圧力の平方根で除して正規化した値（シート部流速特性値）であり、縦軸はある燃料圧力でのペネトレーションである。図６のように、シート部流速特性値が２８を超えると、燃料圧力に依らずペネトレーションを急激に減少させられる。
【００３３】
すなわち、シート部２０１の隙間における燃料の流速がメートル毎秒で表わされる時、燃料圧力の平方根に２８を乗じた値よりも流速が大きくなるように設定されることで、ペネトレーションが短いノズルを得ることができる。
【００３４】
このようにシート部２０１での流速を高めるためには、シート部２０１の流体通路としての断面積Ａが小さくなるように、設定すると良い。断面積Ａは、（１）式に現れる分母であり、（２）式のように表わせる。
Ａ＝Ｄｓ・Ｙ・π・Ｓｉｎ（θ／２｝          ・・・（２）
すなわち、弁体１０２の最大リフト量Ｙを小さくしたり、シート径Ｄｓを小さくしたり、シート角θを小さくすることによって、シート部２０１での流速を高めることができる。
【００３５】
なお、このようにシート部２０１の隙間を小さくするのみでは、シート部２０１での圧力損失が大きくなり、所望の単位時間当たりの噴射量（静流）を得られない場合がある。
【００３６】
このように、シート部２０１での流速を速めた場合でも所望の静流を得るためには、噴射孔１０７での圧力損失が小さくなるように設定することが有効である。
【００３７】
例えば、噴射孔１０７での圧力損失が小さくなるように、図４に示すように噴射孔１０７’の入口部分にＲ形状４０１を付与することは、所望の静流を得るために有効である。図４のような噴孔１０７’入口部分のＲ形状４０１によって、噴孔１０７’入口における流れの剥離が抑制され、噴射孔の有効断面積が広がって噴射孔の圧力損失が低減される。この結果、より高いシート部２０１での流速を設定しても、所望の静流を得ることができるようになる。また、噴孔１０７’入口Ｒによる流れの剥離の抑制効果によって、噴孔１０７’内の流速の均一性が増し、最大流速を小さくすることができ、したがってペネトレーション短縮に有効である。更に、この流れの剥離抑制による噴孔１０７’内の流速均一性の向上によって、遅い流速のまま排出される燃料が減り、これらの流速の低い燃料が形成する粗大粒を抑制し、微粒化を向上させる効果も得られる。
【００３８】
あるいは、噴孔１０７の径を大きく設定しても良い。噴孔１０７の径を大きく設定した場合にも、噴孔１０７による圧力損失を抑制でき、シート部２０１での流速を速めた場合にも所望の静流を得やすくなる。特に、複数ある噴孔１０７の総断面積が、シート部２０１における燃料通路断面積Ａ（（２）式）よりも大きく設定されているとよい。このような燃料通路断面積の設定になっている場合には、シート部２０１から噴孔１０７に向かう流れは減速流れとなり、流れの乱れを誘起し易くなるばかりか、噴孔１０７における平均流速自体を低減することができるため、ペネトレーションを短縮できるようになる。
【００３９】
あるいは、所望の静流を得ながらペネトレーションを短縮する方法として、図５に示すように、噴射孔５０７の断面を楕円にする方法がある。断面形状が楕円などの非円形の噴射孔５０７を穿孔する場合には、前記噴射孔５０７が穿孔されている面５０１と前記噴射孔の軸５０２が交わる点において、前記面５０１と垂直な方向Ａから眺めた時の噴射孔の入口形状５０３が為す面積が、楕円の噴射孔５０７を噴射孔の軸方向ｂから眺めた時の噴射孔の出口形状５０４が為す面積よりも小さくなるように噴孔の断面形状を設定すると良い。このように噴孔断面形状を設定することにより、噴射孔入口の流入部が弁体との間の隙間として形成する入口通路面積が、噴孔出口面積よりも小さくなる。このように楕円噴孔を設定した時の入口形状５０３は出口形状５０４よりもより真円に近くなる。すなわち、このような楕円噴射孔の穿孔により、噴孔入口から噴孔出口に向かって断面積が拡大する効果を得ることができ、したがって、噴孔内部で噴孔出口に向かって流れが減速する効果を得られるようになる。このことによって、噴孔出口部での流速が抑制され、ペネトレーションを抑制できる。
【００４０】
また、噴射孔の断面が楕円になるように設定した場合の長径短径の軸方向の設定は、楕円の長径軸を弁体の軸芯５０８と垂直な面に投影した時に、この投影された長径軸５０６が弁体の軸芯５０８からずらされているようにするとよい。（図５では投影された長径軸５０６が弁体の軸芯５０８からずらされており、この投影面上での噴孔出口中心ｏと弁体軸芯５０８を結んだ線分ａと長径軸５０６のずれ量θは９０゜である。）このように噴射孔５０７の断面を楕円にし、特定の方向にのみ断面積が増えるようにすることで、シート部２０１での流速が速い場合でも所望の流速を得ることができるようになる。また、前記の投影された長径軸が弁体の軸芯５０８からずらされて設定されることにより、噴孔５０７の断面形状のうち最も長い部分の方向が、シート部２０１からの流入方向と一致することを避けられる。断面形状の長手部位の方向がシート部２０１からの流入方向と一致している場合には、大きな剥離領域が形成されて噴射孔断面積が有効に使われない場合があるが、噴孔断面形状の長手方向がシート部２０１からの流入方向からずらされていることによって、大きな剥離領域の形成を避けられるとともに、噴孔５０７の断面内で噴孔軸と直交する方向の流速成分が増えるようになり、噴孔５０７内での流速分布を均一に保ちやすくなり、かつ噴孔５０７出口での広がり方向流速成分を増大させられるようになる。
【００４１】
このように、本発明によれば、シート部２０１における流速を増大させることでペネトレーションを短縮できると共に、適切な噴孔形状を選定することによって所望の整流を得ることもできる。
【符号の説明】
【００４２】
１０１…弁座
１０２…弁体
１０３…ガイド部材
１０４…筒状部材
１０５…ガイド部材
１０６…可動子
１０８…磁気コア
１０９…コイル
１１０…付勢ばね
１１１…コネクタ
１１２…燃料入口
２０１…シート部
２０２、２０２ａ、２０２ｂ…噴射孔の軸
２０３…シート面
３０１ａ、３０１ｂ…噴射孔内壁
３０２ａ、３０２ｂ…流速分布
３０３ａ、３０３ｂ…シート部流速
４０１…入口部Ｒ
５０１…シート面
５０２…噴射孔の軸
５０３…噴射孔の入口形状
５０４…噴射孔の出口形状
５０６…長径軸
５０７…噴射孔
５０８…弁体の軸芯
【図１】
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【図２】
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【図３（ａ）】
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【図３（ｂ）】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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