(57)【要約】【課題】ニードル弁のリフト量に応じて噴孔からの燃料の噴射方向を制御する。【解決手段】ノズルボディ１０とニードル弁２０とを備え、ノズルボディ１０はニードル弁２０の先端との間で空間を形成するサック室１４と、サック室１４の内壁面からノズルボディ１０の外壁面へ繋がり、サック室１４の内壁面側に略円筒状の噴孔上流部１２ａと、噴孔上流部１２ａからノズルボディ１０の外壁面に向けて略円錐状に拡がる噴孔下流部１２ｂを有する噴孔１２とを有し、ニードル弁２０の先端は、サック室１４の入口側内壁に対して略平行な流れ制御部２２を備え、流れ制御部２２より先端は先細りのニードル先端傾斜部２４とされている。【選択図】図１
2018145970.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ノズルボディと、前記ノズルボディ内に配置されたニードル弁と、を備え、
前記ノズルボディは、前記ニードル弁の先端との間で空間を形成するサック室と、
前記サック室の内壁面から前記ノズルボディの外壁面へ繋がり、前記サック室の内壁面側に略円筒状の噴孔上流部と、前記噴孔上流部から前記ノズルボディの外壁面に向けて略円錐状に拡がる噴孔下流部を有する噴孔と、を有し、
前記ニードル弁の先端は、前記サック室の入口側内壁に対して略平行な流れ制御部を備え、前記流れ制御部より先端は先細り形状とされ、
前記ニードル弁が前記ノズルボディに着座している状態では前記流れ制御部の一部が前記サック室内に位置し、前記ニードル弁が前記ノズルボディに着座していない状態では前記流れ制御部が前記サック室より上流側に位置するように前記ニードル弁をリフト可能であることを特徴とする燃料噴射装置。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料噴射装置であって、
前記噴孔の前記噴孔上流部の上流側の母線は、前記噴孔下流部の上流側の母線と略一致することを特徴とする燃料噴射装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の燃料噴射装置であって、
前記噴孔の前記噴孔下流部は、扁平した扇形状であることを特徴とする燃料噴射装置。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料噴射装置であって、
前記噴孔の前記噴孔上流部は、その断面が略矩形である孔を備えることを特徴とする燃料噴射装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料噴射装置であって、
前記ニードル弁が前記ノズルボディのシート面に着座した状態において、前記流れ制御部と前記流れ制御部より先のニードル先端傾斜部との交点と前記噴孔上流部の入口部における噴孔中心とを繋ぐラインと、前記噴孔の中心軸とのなす角度θｉｎ、前記噴孔上流部の噴孔長Ｌ、前記噴孔上流部の直径Ｄが、
（０．１８θｉｎ−０．２４）（−１．１３Ｌ／Ｄ＋２．４５）≧５°
の関係を満たすことを特徴とする燃料噴射装置。
【請求項６】
請求項５に記載の燃料噴射装置であって、
さらに、
（０．１８θｉｎ−０．２４）（−１．１３Ｌ／Ｄ＋２．４５）≧１０°
の関係を満たすことを特徴とする燃料噴射装置。
【請求項７】
請求項５又は６に記載の燃料噴射装置であって、
前記ニードル弁が前記ノズルボディに着座した状態において、前記シート面を前記サック室の方向に延長した仮想面と前記流れ制御部が交差するような構成としたことを特徴とする燃料噴射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、噴霧形状を変更できる燃料噴射装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車等のエンジンに対して燃料を噴射する燃料噴射装置において、噴孔から噴射させる燃料の噴霧状態を変更する技術が開発されている。
【０００３】
例えば、ニードル弁と、ニードル弁を収容するノズルボディと、ノズルボディの内壁面から外壁面へと貫通する少なくとも一つの噴孔を具備する燃料噴射弁において、噴孔の形状を燃料の流速を変更すると燃料の噴射方向が変わるような形状とする技術が開示されている。また、燃料噴射弁は、噴孔を流れる燃料の流速を変更する流速変更手段をさらに具備することが開示されている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−２３８４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記従来技術は、噴孔を流れる燃料の流速を変更することで噴射方向を変える方式であるため、燃料の流速に対して噴射方向を独立に制御することが困難である。
【０００６】
エンジン回転数が高いほど１サイクルの時間が短くなるため、噴射率を高くして噴射期間（実時間ベース）を短くする必要がある．しかしながら、従来技術で下向き噴射を得るには燃料流速を低くする必要があるために噴射率が低く、高エンジン回転数時に噴射期間が長期化して良好な燃焼を得ることが困難になる。特に、早期に比較的に多くの燃料を噴射して予混合化した後に燃焼させるＰＣＣＩ燃焼（Ｐｒｅｍｉｘｅｄ  Ｃｈａｒｇｅ  Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ  Ｉｇｎｉｔｉｏｎ；予混合圧縮自着火燃焼）に対応することが困難になる。このように、従来技術ではエンジンが要求する噴射率と噴射方向を制御するための燃料流速の両方を制御することは難しい。
【０００７】
従来技術では燃料の流速を変更する手段として、（１）燃料噴射弁に供給する燃料の圧力を変更すること、（２）ニードル弁４のリフト量を変更することが挙げられている。ここで、（１）燃料噴射弁に供給する燃料の圧力を変更する方法では、供給燃料圧力に対して噴射方向を独立に制御することが困難である。そのため、運転条件に応じて噴射方向を変更できる自由度が低い。また、（２）ニードル弁のリフト量を変更する方法では、同一ニードルリフト量では高い燃料供給圧力時の方が流速が大きくなる。そのため、高い燃料供給圧力時に拡大噴孔下壁面に沿った流れを得るには、低い燃料供給圧力時と比較してニードル弁のリフト量を小さくする必要があり、供給燃料圧力に応じてニードル弁のリフト量を制御する必要がある。特にディーゼルエンジンでは運転条件に応じて燃料供給圧力を３０ＭＰａ〜３００ＭＰａ程度の範囲で変化させるため、ニードル弁のリフト量をきめ細かく変化させる必要があり、高精度なニードル弁のリフト制御機構を備えたインジェクタが必要になる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の１つの態様は、ノズルボディと、前記ノズルボディ内に配置されたニードル弁と、を備え、前記ノズルボディは、前記ニードル弁の先端との間で空間を形成するサック室と、前記サック室の内壁面から前記ノズルボディの外壁面へ繋がり、前記サック室の内壁面側に略円筒状の噴孔上流部と、前記噴孔上流部から前記ノズルボディの外壁面に向けて略円錐状に拡がる噴孔下流部を有する噴孔と、を有し、前記ニードル弁の先端は、前記サック室の入口側内壁に対して略平行な流れ制御部を備え、前記流れ制御部より先端は先細り形状とされ、前記ニードル弁が前記ノズルボディに着座している状態では前記流れ制御部の一部が前記サック室内に位置し、前記ニードル弁が前記ノズルボディに着座していない状態では前記流れ制御部が前記サック室より上流側に位置するように前記ニードル弁をリフト可能であることを特徴とする燃料噴射装置である。
【０００９】
ここで、前記噴孔の前記噴孔上流部の上流側の母線は、前記噴孔下流部の上流側の母線と略一致することが好適である。
【００１０】
また、前記噴孔の前記噴孔下流部は、扁平した扇形状であることが好適である。
【００１１】
また、前記噴孔の前記噴孔上流部は、その断面が略矩形である孔を備えることが好適である。
【００１２】
また、前記ニードル弁が前記ノズルボディのシート面に着座した状態において、前記流れ制御部と前記流れ制御部より先のニードル先端傾斜部との交点と前記噴孔上流部の入口部における噴孔中心とを繋ぐラインと、前記噴孔の中心軸とのなす角度θｉｎ、前記噴孔上流部の噴孔長Ｌ、前記噴孔上流部の直径Ｄが、
（０．１８θｉｎ−０．２４）（−１．１３Ｌ／Ｄ＋２．４５）≧５°
の関係を満たすことが好適である。
【００１３】
さらに、
（０．１８θｉｎ−０．２４）（−１．１３Ｌ／Ｄ＋２．４５）≧１０°
の関係を満たすことが好適である。
【００１４】
また、前記ニードル弁が前記ノズルボディに着座した状態において、前記シート面を前記サック室の方向に延長した仮想面と前記流れ制御部が交差するような構成とすることが好適である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、ニードル弁のリフト量に応じて噴孔からの燃料の噴射方向を制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】第１の実施の形態における燃料噴射装置の構成を示す側面断面図である。
【図２】第１の実施の形態における燃料噴射装置の噴孔の構成を示す断面図である。
【図３】第１の実施の形態における燃料噴射装置が低リフト状態にあるときの燃料の流れを説明する図である。
【図４】第１の実施の形態における燃料噴射装置が高リフト状態にあるときの燃料の流れを説明する図である。
【図５】第１の実施の形態における燃料噴射装置を用いてパイロット噴射及びメイン噴射を行うときの燃料の噴射角を示す図である。
【図６】第１の実施の形態における燃料噴射装置を用いてマルチパイロット噴射を行うときの燃料の噴射角を示す図である。
【図７】第１の実施の形態における燃料噴射装置に可変ニードルリフトインジェクタを適用したときの燃料の噴射角を示す図である。
【図８】第１の実施の形態における燃料噴射装置が低リフト状態にあるときの燃料の流れの計算結果を示す図である。
【図９】第１の実施の形態における燃料噴射装置が高リフト状態にあるときの燃料の流れの計算結果を示す図である。
【図１０】第１の実施の形態における燃料噴射装置が低リフト状態にあるときの燃料の流れの計算結果を示す図である。
【図１１】ニードル弁を従来形状に代えた燃料噴射装置が低リフト状態にあるときの燃料の流れの計算結果を示す図である。
【図１２】第２の実施の形態における燃料噴射装置が低リフト状態にあるときの燃料の流れを説明する図である。
【図１３】第２の実施の形態における燃料噴射装置が高リフト状態にあるときの燃料の流れを説明する図である。
【図１４】第２の実施の形態における燃料噴射装置が高リフト状態にあるときのコアンダ効果を説明する図である。
【図１５】第３の実施の形態における燃料噴射装置が低リフト状態にあるときの燃料の流れを説明する図である。
【図１６】第３の実施の形態における燃料噴射装置が高リフト状態にあるときの燃料の流れを説明する図である。
【図１７】第４の実施の形態における燃料噴射装置が低リフト状態にあるときの燃料の流れを説明する図である。
【図１８】第４の実施の形態における燃料噴射装置が高リフト状態にあるときの燃料の流れを説明する図である。
【図１９】第５の実施の形態における燃料噴射装置が低リフト状態にあるときの燃料の流れを説明する図である。
【図２０】第５の実施の形態における燃料噴射装置が高リフト状態にあるときの燃料の流れを説明する図である。
【図２１】第６の実施の形態における燃料噴射装置が低リフト状態にあるときの燃料の流れを説明する図である。
【図２２】第６の実施の形態における燃料噴射装置が高リフト状態にあるときの燃料の流れを説明する図である。
【図２３】本発明の実施の形態における燃料噴射装置の好適な構成を説明するための図である。
【図２４】ＰＣＣＩ燃焼時における噴射方向（噴射角度）と未燃炭化水素化合物（未燃ＨＣ）との関係を示す図である。
【図２５】偏向角αと角度θｉｎとの関係を示す図である。
【図２６】偏向角αと角度θｉｎとの関係を示す図である。
【図２７】偏向角αに対する関係式を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
［第１の実施の形態］
第１の実施の形態における燃料噴射装置１００は、図１の部分拡大断面図に示すように、ノズルボディ１０及びニードル弁２０を備える。図２は、図１におけるラインＡ−Ａに沿った断面図である。図１において、燃料は図面上側（以下、上流側という。）から図面下側（以下、下流側という。）へ供給される。
【００１８】
ノズルボディ１０は、略円筒状であり、内部にニードル弁２０を収納する空間を有する。ニードル弁２０は、ノズルボディ１０内に収納され、ノズル中心軸Ｎに沿って往復運動が可能に配置される。
【００１９】
ノズルボディ１０の外壁面側となる先端部は略円錐状に形成され、ノズルボディ１０の内壁面は、燃料の流れの上流側が円筒状とされ、下流側が略円錐状に形成される。内壁面の円錐状部はニードル弁２０が着座するシート面１１とされている。
【００２０】
ニードル弁２０は、ノズルボディ１０の内壁面と対応する円錐型状に形成される。円錐形状部分の表面は、ノズルボディ１０のシート面１１に着座するシート部２１となる。すなわち、ニードル弁２０のシート部２１がノズルボディ１０のシート面１１に押しつけられることによって、ノズルボディ１０の内壁面とニードル弁２０の外周面とによって形成される燃料供給路からの燃料の供給を止めることができる。
【００２１】
また、ノズルボディ１０のニードル弁２０の先端部に対向する部分にはサック室１４が形成される。サック室１４は、ニードル弁２０の先端部において燃料溜まりとなる部分である。サック室１４は、例えば、ノズルボディ１０の内壁面を半球状に加工して形成された下流側の半球形状部分とその上流側に連続して設けられた円筒形状部分とを組み合わせた形状を有する。
【００２２】
サック室１４には、噴孔１２が形成される。本実施の形態では、サック室１４の下流側の半球形状部分に噴孔１２が設けられる。噴孔１２は、ノズルボディ１０の内壁面とニードル弁２０の外壁面との間隙を通って供給される燃料を噴霧するための孔である。噴孔１２は、図２に示すように、ノズルボディ１０の周方向に沿ってノズル中心軸Ｎから放射状に複数（例えば６〜１２個）設けることが好適である。図２では、６０°毎に合計６つの噴孔１２を設けた例を示している。噴孔１２は、サック室１４の内壁面に入口が位置し、ノズルボディ１０の外周面に出口が位置するように形成される。
【００２３】
噴孔１２は、サック室１４の内壁面側に略円筒状の噴孔上流部１２ａと、噴孔上流部１２ａからノズルボディ１０の外壁面に向けて拡がる噴孔下流部１２ｂを有する。
【００２４】
本実施の形態では、図１及び図２に示すように、噴孔上流部１２ａは円筒形状の孔であり、噴孔下流部１２ｂは円錐台形状（テーパ状の円噴孔）としている。図１には、ラインＡ−Ａ側からみた噴孔上流部１２ａ及び噴孔下流部１２ｂの孔の形状も併せて示している。このとき、噴孔上流部１２ａと噴孔下流部１２ｂの中心軸Ｍは略一致させることが好適である。
【００２５】
なお、噴孔上流部１２ａ及び噴孔下流部１２ｂは、これに限定されるものではないが、その最大径が０．１ｍｍ以上０．２ｍｍ以下程度の大きさにすることが好適である。また、噴孔上流部１２ａの長さは燃料の噴射方向に影響を与える。噴孔上流部１２ａを長くするほど燃料は噴孔上流部１２ａの中心軸Ｍの方向に噴射され易くなるので、燃料の流量や圧力、サック室１４とニードル弁２０の形状及びサイズ等に応じて所望の燃料の噴射角が得られるように噴孔上流部１２ａの長さを設定することが好適である。また、噴孔上流部１２ａのサック室１４の内壁面の接続領域は、流量係数を大きくするために流体研磨等で曲面加工を施してもよい。
【００２６】
ニードル弁２０の先端部は、ノズル中心軸Ｎを中心軸とした略円筒形状の流れ制御部２２が設けられる。流れ制御部２２は、サック室１４の上流側に設けられた円筒形状部分の内壁と略平行な周壁を有する。また、ニードル弁２０の先端部の流れ制御部２２のさらに先には円錐台形状のニードル先端傾斜部２４が設けられる。ニードル先端傾斜部２４は、ノズルボディ１０のシート部２１の内壁と略平行な周壁を有する。
【００２７】
燃料噴射装置１００は、ニードル弁２０をノズル中心軸Ｎに沿って移動させるためのニードル移動機構（図示しない）を備える。ノズルボディ１０内を下流方向にニードル弁２０を移動させるとシート部２１がシート面１１に接触する。これによって、燃料噴射装置１００は閉弁状態となる。閉弁状態からニードル弁２０を上流方向に移動させると、シート部２１とシート面１１とが離間され、シート部２１とシート面１１との間隙を通じて燃料がサック室１４に供給される。これによって、燃料噴射装置１００は開弁状態となる。
【００２８】
以下、ニードル移動機構によって、シート部２１がシート面１１から十分に離れた状態までニードル弁２０が移動（リフト）された状態を高リフト状態と称し、シート部２１とシート面１１とが近い状態を低リフト状態と称する。
【００２９】
以下、図３及び図４を参照して、第１の実施の形態における燃料噴射装置１００の作用を説明する。
【００３０】
（１）ニードル弁２０のリフト量が小さく、低リフト状態である場合、ニードル弁２０の流れ制御部２２の一部がサック室１４内に位置する（図３）。すなわち、流れ制御部２２の少なくとも一部がサック室１４の上流側に設けられた円筒形状部分に重なる位置にある。
【００３１】
図２３は、好適な燃料噴射装置１００の構成を示す図である。ニードル弁２０がノズルボディ１０のシート面１１に着座した状態では、シート面１１をサック室１４の方向に延長した仮想面Ｐと流れ制御部２２が交差するような構成とすることが好適である。また、ニードル弁２０がリフトして、所定のニードルリフト量以上になると、流れ制御部２２とニードル先端傾斜部２４との交点ｂは、シート面１１とサック室１４との交点ａより上流側に位置する。このような構成において、ニードル弁２０がシート面１１に着座した状態では、交点ｂと噴孔上流部１２ａの入口部における噴孔中心（噴孔上流部１２ａの入口部と中心軸Ｍの交点）とを繋ぐラインＫと中心軸Ｍとのなす角度θｉｎ、噴孔上流部１２ａの噴孔長Ｌ、噴孔上流部１２ａの直径Ｄの関係が、数式（１）を満たすことが好適である。
[数１]
（０．１８θｉｎ−０．２４）（−１．１３Ｌ／Ｄ＋２．４５）≧５°・・・（１）
【００３２】
さらに、数式（２）を満たすことがより好適である。
[数２]
（０．１８θｉｎ−０．２４）（−１．１３Ｌ／Ｄ＋２．４５）≧１０°・・・（２）
【００３３】
ノズルボディ１０のシート面１１に沿う燃料の流れ（図３中、太矢印で示す。）は、流れ制御部２２によってサック室１４の内壁に沿う流れとなって噴孔上流部１２ａに流入する。このとき、燃料の慣性によってサック室１４の内壁面に沿う流れが噴孔上流部１２ａの中心軸Ｍの方向に急変できないため、噴孔上流部１２ａの入口の上側で剥離し、噴孔上流部１２ａ及び噴孔下流部１２ｂの内壁面に沿って中心軸Ｍの軸心方向より下向きに燃料が噴出される。
【００３４】
ここで、図２３に示すように、ニードル弁２０がノズルボディ１０のシート面１１に着座した状態で、仮想面Ｐと流れ制御部２２が交差するような構成とすることによって、シート面１１からサック室１４に流入する燃料の大部分が流れ制御部２２でサック室１４の内壁に沿う流れとなり、噴孔１２の入口から噴孔１２の下側壁面に向かう流れを確実に形成することができる。
【００３５】
ところで、ＰＣＣＩ燃焼時には、予混合化を促進するために、早期に燃料を噴射することが好ましい。図２４は、従来のホールノズルを用いて測定したＰＣＣＩ燃焼時において噴射方向（噴射角度）をパラメータとした噴射時期（ＡＴＤＣ）と燃焼後に残存する未燃炭化水素化合物（未燃ＨＣ）との関係を示す。燃料の噴射方向（噴射角度）は、噴孔１２の中心軸Ｍから下向きの角度で表している。一般的な拡散燃焼時に適した噴射方向（噴射角度）である中心軸Ｍの方向とした場合（図中、三角印で示す）、噴射時期を早めると未燃ＨＣの排出量が大きく増加した。これに対して、噴射方向（噴射角度）をそれより５°以上（図中、丸印で示す）、より好ましくは１０°以上（図中、四角印で示す）とすると、噴射時期を早めても未燃ＨＣの排出量が抑制された。すなわち、低リフト量の状態において、噴射方向（噴射角度）が５°以上となる構成とすることが好適であり、１０°以上となる構成とすることがより好適である。
【００３６】
図２５は、噴孔長Ｌ／直径Ｄ＝１．２８の条件下において、角度θｉｎと燃料の噴射方向と中心軸Ｍとのなす噴射方向（噴射角度＝偏向角α）との関係を示す。偏向角αは、市販の熱流体解析ソフトＦＩＲＥ（ＡＶＬ社製：Ｖｅｒｓｉｏｎ２０１３）を用いて、噴射初期（低ニードルリフト時）の状態を算出したものである。角度θｉｎは、流れ制御部２２の外壁面とサック室１４の内壁面との間隔δとニードル弁２０がシート面１１に着座した状態での噴孔上流部１２ａの入口部における噴孔中心と交点ｂとの間隔Ｘをパラメータとして設定した。図２５に示す関係から、偏向角αは、角度θｉｎに対して直線的に変化することが分かった。
【００３７】
また、図２６は、角度θｉｎを５１°にした条件下において、噴孔長Ｌ／直径Ｄと偏向角αとの関係を示す。図２６に示す関係から、偏向角αは、噴孔長Ｌ／直径Ｄに対しても直線的に変化することが分かった。
【００３８】
これらの関係を基に、数式（３）のように偏向角αに対する関係式を導出した。なお、数式（３）は、図２５及び図２６に示した条件以外での結果も加えて導出した。図２７は、数式（３）の関係式で表される値を横軸にし、実際に測定された偏向角α（噴射角度）を縦軸に示す図である。図２７に示されるように、偏向角αは数式（３）でよく近似されていることが分かった。
[数３]
偏向角α＝（０．１８θｉｎ−０．２４）（−１．１３Ｌ／Ｄ＋２．４５）・・・（３）
【００３９】
低リフト量の状態では、数式（３）で表される偏向角α（噴射角度）が５°以上となる構成とすることが好適であり、１０°以上となる構成とすることがより好適であるので、数式（１）及び数式（２）が導かれる。したがって、数式（１）が成り立つように燃料噴射装置１００を構成することで、ＰＣＣＩ燃焼時における未燃ＨＣの排出量を抑制することができる。さらに、数式（２）が成り立つように燃料噴射装置１００を構成することで、ＰＣＣＩ燃焼時における未燃ＨＣの排出量をより抑制することができる。
【００４０】
なお、噴孔下流部１２ｂの下側の母線と噴孔上流部１２ａの中心軸Ｍとのなす角度θｄは、数式（１）を満たす構成に対しては角度θｄ≧５°とし、数式（２）を満たす構成に対しては角度θｄ≧１０°とすることが好適である。これらの条件を満たせば、角度θｄと偏向角αとの関係は任意に設定してもよい。また、それぞれの構成において角度θｄ＜偏向角αに設定すると、燃料が噴孔下流部１２ｂの下側の内壁面に沿って噴射されるため、燃料の噴射方向（噴射角度）をより安定させることができる。
【００４１】
（２）ニードル弁２０のリフト量が大きく、高リフト状態である場合、ニードル弁２０の流れ制御部２２がサック室１４より上流側に位置する（図４）。すなわち、流れ制御部２２がサック室１４の上流側に設けられた円筒形状部分に重ならない位置にある。ノズルボディ１０のシート面１１に沿ってサック室１４に流入した燃料の流れ（図４中、太矢印で示す。）は、慣性によって上述（１）の場合よりノズル中心軸Ｎに近い所まで流入した後に噴孔上流部１２ａに流入する。そのため、噴孔上流部１２ａの中心軸Ｍとほぼ同一方向に燃料が噴出される。
【００４２】
なお、このような燃料の流れの形成に対して、ニードル先端傾斜部２４の円錐角をシート面１１の円錐角とほぼ等しくすることが好適である。流れ制御部２２がサック室１４の入口Ｂの近傍に位置する場合、噴射方向が噴孔上流部１２ａの中心軸Ｍの軸心方向より下向きから噴孔上流部１２ａの中心軸Ｍとほぼ同一方向へと切り替わる遷移領域となる。
【００４３】
以上のように、本実施の形態における燃料噴射装置１００によれば、燃料の噴射圧とは独立にニードル弁２０のリフト位置のみの制御に応じて燃料の噴射方向を制御することが可能になる。ピストンが下方に位置する時期に燃料が噴射される早期パイロット噴射を下向きに噴射することにより、内燃機関におけるピストンのキャビティ内に燃料を留めることができ、燃料がシリンダ壁面に付着することによるオイル希釈や未燃焼の炭化水素化合物（ＨＣ）の排出を抑制できる。
【００４４】
また、図５に示すように、パイロット噴射は、数ｍｍ３程度の比較的に少量噴射であるので、ニードル弁２０のリフト量が小さい低リフト状態で行うことができる。一方、メイン噴射は、燃料の噴射期間が長く、ニードル弁２０のリフト量が大きくなる。したがって、燃料の噴射初期は低リフト状態の下向き、それ以降は高リフト状態の方向に燃料が噴射され、さらに噴射終了時には低リフト状態の下向きに噴射される。なお、メイン噴射はピストンの上死点（ＴＤＣ）近傍で行われるため、ピストンが燃料噴射装置１００近傍にあること、雰囲気圧力が高いために噴霧貫徹力が抑制されることにより、燃料のシリンダ壁への付着によるオイル希釈や未燃焼の炭化水素化合物（ＨＣ）の排出は抑制される。
【００４５】
また、予混合燃焼割合を増やすために早期噴射燃料量の増加が要求される場合には、図６に示すように、低リフト状態を得るために複数回のパイロット噴射（マルチパイロット噴射）を行う。または、図７に示すように、低リフト状態が得られるニードルリフト量を保持できる可変ニードルリフトインジェクタに本ノズルを装着するとよい。
【００４６】
図８及び図９は、市販のＡＶＬ社製熱流体解析ソフトＦＩＲＥ（Ｖｅｒｓｉｏｎ２０１３）を使用して燃料噴射装置１００における燃料の流れを計算した結果（液相の体積分率）を示す。
【００４７】
ニードル弁２０のリフト量が小さく、低リフト状態であり、流れ制御部２２の一部がサック室１４内に位置する場合、図８に示すように、燃料の噴射方向は噴孔上流部１２ａの中心軸Ｍの軸心方向より下向きである。一方、ニードル弁２０のリフト量が大きく、高リフト状態であり、流れ制御部２２がサック室１４より上流側に位置する場合、図９に示すように、低リフト状態のときより噴孔上流部１２ａの中心軸Ｍに近い上向きに燃料が噴射される。
【００４８】
図１１は、ニードル弁２０のみを市販されている一般的な形状に置き換えた場合について、市販のＡＶＬ社製熱流体解析ソフトＦＩＲＥ（Ｖｅｒｓｉｏｎ２０１３）を使用して燃料の流れを計算した結果（液相の体積分率）を示す。比較のために、図１０は、ニードル弁２０を本実施の形態における形状にした場合の計算結果を示す。なお、図１０及び図１１では、噴孔上流部１２ａが図８及び図９における本実施の形態の燃料噴射装置１００より短い構成について検討した結果を示す。ただし、サック室１４内での燃料の流れや噴孔１２からの噴射方向の傾向は大きく変わらないと推測される。
【００４９】
本実施の形態におけるニードル弁２０を用いた場合、ニードル弁２０のリフト量が小さく、低リフト状態であるとき、図１０に示すように、噴孔上流部１２ａの中心軸Ｍの軸心方向より下向きに燃料が噴出される。一方、一般的なニードルに置き換えた場合、図１１に示すように、シート面１１に沿ってサック室１４に流入した燃料はニードル弁２０の壁面に沿ってサック室１４の底面付近まで流れ、そこから噴孔上流部１２ａに向かって斜め上向きに流れる。そのため、燃料は噴孔下流部１２ｂの上側壁面に沿うような流れ、すなわち噴孔上流部１２ａの中心軸Ｍの軸心方向より上向きに噴射される。すなわち、ニードル弁を一般的な形状に変えた場合、低リフト状態では噴孔上流部１２ａの中心軸Ｍの軸心方向より下向きに噴射させることができない。
【００５０】
［第２の実施の形態］
図１２及び図１３は、第２の実施の形態における燃料噴射装置１０２の部分拡大側断面図を示す。第１の実施の形態における燃料噴射装置１００では、噴孔上流部１２ａの中心軸Ｍと噴孔下流部１２ｂの中心軸Ｍは一致させたが、燃料噴射装置１０２では、噴孔下流部１２ｂの中心軸Ｍ’を噴孔上流部１２ａの中心軸Ｍより下向きにしている。また、噴孔上流部１２ａの上流側の母線と噴孔下流部１２ｂの上流側の母線が略一致するようにしている。
【００５１】
ニードル弁２０のリフト量が小さく、低リフト状態である場合、流れ制御部２２の一部がサック室１４内に位置し、図１２に示すように、第１の実施の形態と同様に噴孔上流部１２ａの中心軸Ｍの軸心方向より下向きに燃料が噴出される。一方、ニードル弁２０のリフト量が大きく、高リフト状態である場合、流れ制御部２２がサック室１４より上流側に位置し、図１３に示すように、低リフト状態のときより噴孔上流部１２ａの中心軸Ｍに近い上向きに燃料が噴射される。
【００５２】
このとき、図１４に示すように、噴孔諸元や噴射条件によっては噴孔上流部１２ａの入口の上側で燃料の流れが内壁面から剥がれた剥離領域を生じる可能性がある。しかしながら、燃料噴射装置１０２によれば噴孔上流部１２ａから噴孔下流部１２ｂにわたって噴孔の上流側に長い距離の壁面が燃料の流れの近傍に形成されるため、コアンダ効果により燃料の流れが噴孔下流部１２ｂの上流側の壁面に付着することになり、噴孔上流部１２ａの中心軸Ｍの方向に燃料を安定して噴射させることができる。
【００５３】
本実施の形態においても、数式（１）の関係を満たす構成とすることが好適である。これにより、ＰＣＣＩ燃焼時における未燃ＨＣの排出量を抑制することができる。さらに、数式（２）が成り立つように燃料噴射装置１０２を構成することで、ＰＣＣＩ燃焼時における未燃ＨＣの排出量をより抑制することができる。
【００５４】
［第３の実施の形態］
図１５及び図１６は、第３の実施の形態における燃料噴射装置１０４の部分拡大側断面図を示す。本実施の形態における燃料噴射装置１０４では、噴孔１２の形状を第１の実施の形態における燃料噴射装置１００から上下流方向に扁平させている。すなわち、噴孔下流部１２ｂは、ノズル中心軸Ｎ方向に沿って長軸を有し、ノズルボディ１０の周方向に沿って短軸を有する扁平した形状とされる。なお、燃料噴射装置１０４では、噴孔上流部１２ａの中心軸Ｍと噴孔下流部１２ｂの中心軸Ｍは一致させている。
【００５５】
ニードル弁２０のリフト量が小さく、低リフト状態である場合、流れ制御部２２の一部がサック室１４内に位置し、図１５に示すように、第１の実施の形態と同様に噴孔上流部１２ａの中心軸Ｍの軸心方向より下向きに燃料が噴出される。一方、ニードル弁２０のリフト量が大きく、高リフト状態である場合、流れ制御部２２がサック室１４より上流側に位置し、図１６に示すように、低リフト状態のときより噴孔上流部１２ａの中心軸Ｍに近い上向きに燃料が噴射される。
【００５６】
本実施の形態の燃料噴射装置１０４のように噴孔下流部１２ｂを扁平させることによって、ノズル及び噴孔での周方向の燃料の流れを再循環させ、周方向における燃料の噴射の方向を安定させることができ、燃料の噴射方向をより正確かつ安定に制御することができる。
【００５７】
本実施の形態においても、数式（１）の関係を満たす構成とすることが好適である。これにより、ＰＣＣＩ燃焼時における未燃ＨＣの排出量を抑制することができる。さらに、数式（２）が成り立つように燃料噴射装置１０４を構成することで、ＰＣＣＩ燃焼時における未燃ＨＣの排出量をより抑制することができる。
【００５８】
［第４の実施の形態］
図１７及び図１８は、第４の実施の形態における燃料噴射装置１０６の部分拡大側断面図を示す。第４の実施の形態における燃料噴射装置１０６では、噴孔下流部１２ｂの中心軸Ｍ’を噴孔上流部１２ａの中心軸Ｍより下向きにしている。また、噴孔上流部１２ａの上流側の母線と噴孔下流部１２ｂの上流側の母線が略一致するようにしている。また、噴孔１２の形状を第３の実施の形態における燃料噴射装置１０４と同様に上下流方向に扁平させている。
【００５９】
ニードル弁２０のリフト量が小さく、低リフト状態である場合、流れ制御部２２の一部がサック室１４内に位置し、図１７に示すように、噴孔上流部１２ａの中心軸Ｍの軸心方向より下向きに燃料が噴出される。一方、ニードル弁２０のリフト量が大きく、高リフト状態である場合、流れ制御部２２がサック室１４より上流側に位置し、図１８に示すように、低リフト状態のときより噴孔上流部１２ａの中心軸Ｍに近い上向きに燃料が噴射される。
【００６０】
なお、第２の実施の形態における燃料噴射装置１０２と同様に、噴孔諸元や噴射条件によっては噴孔上流部１２ａの入口の上側で燃料の流れが内壁面から剥がれた剥離領域を生じる可能性がある。しかしながら、燃料噴射装置１０６によれば噴孔上流部１２ａから噴孔下流部１２ｂにわたって噴孔の上側に長い距離の壁面が燃料の流れの近傍に形成されるため、コアンダ効果により燃料の流れが噴孔下流部１２ｂの上流側の壁面に付着することになり、噴孔上流部１２ａの中心軸Ｍの方向に燃料を安定して噴射させることができる。
【００６１】
また、燃料噴射装置１０６においても噴孔下流部１２ｂを扁平させることによって、燃料噴射装置１０４と同様に、燃料の噴射における周方向へのずれを小さくすることができ、燃料の噴射方向をより正確かつ安定に制御することができる。
【００６２】
本実施の形態においても、数式（１）の関係を満たす構成とすることが好適である。これにより、ＰＣＣＩ燃焼時における未燃ＨＣの排出量を抑制することができる。さらに、数式（２）が成り立つように燃料噴射装置１０６を構成することで、ＰＣＣＩ燃焼時における未燃ＨＣの排出量をより抑制することができる。
【００６３】
［第５の実施の形態］
図１９及び図２０は、第５の実施の形態における燃料噴射装置１０８の部分拡大側断面図を示す。本実施の形態では、噴孔１２の形状について、噴孔上流部１２ａ及び噴孔下流部１２ｂを様々な形状に変形した例を示す。なお、燃料噴射装置１０８では、噴孔上流部１２ａの中心軸Ｍと噴孔下流部１２ｂの中心軸Ｍは一致させている。
【００６４】
例えば、図１９（ａ）では、噴孔上流部１２ａ及び噴孔下流部１２ｂはいずれも矩形としている。図１９（ｂ）では、噴孔上流部１２ａ及び噴孔下流部１２ｂはいずれも隅を曲線としてアールを持たせた矩形としている。図１９（ｃ）では、噴孔上流部１２ａは楕円とし、噴孔下流部１２ｂは円弧を直線で結んだ形状としている。図１９（ｄ）では、噴孔上流部１２ａ及び噴孔下流部１２ｂのいずれも楕円としている。なお、いずれの例においても噴孔下流部１２ｂは上下流方向に扁平させている。
【００６５】
第５の実施の形態における燃料噴射装置１０８でも、ニードル弁２０のリフト量が小さく、低リフト状態である場合、流れ制御部２２の一部がサック室１４内に位置し、図１９に示すように、噴孔上流部１２ａの中心軸Ｍの軸心方向より下向きに燃料が噴出される。一方、ニードル弁２０のリフト量が大きく、高リフト状態である場合、流れ制御部２２がサック室１４より上流側に位置し、図２０に示すように、低リフト状態のときより噴孔上流部１２ａの中心軸Ｍに近い上向きに燃料が噴射される。
【００６６】
また、燃料噴射装置１０８においても噴孔下流部１２ｂを扁平させることによって、燃料噴射装置１０４と同様に、燃料の噴射における周方向へのずれを小さくすることができ、燃料の噴射方向をより正確かつ安定に制御することができる。
【００６７】
本実施の形態においても、数式（１）の関係を満たす構成とすることが好適である。これにより、ＰＣＣＩ燃焼時における未燃ＨＣの排出量を抑制することができる。さらに、数式（２）が成り立つように燃料噴射装置１０８を構成することで、ＰＣＣＩ燃焼時における未燃ＨＣの排出量をより抑制することができる。
【００６８】
［第６の実施の形態］
図２１及び図２２は、第６の実施の形態における燃料噴射装置１１０の部分拡大側断面図を示す。本実施の形態では、噴孔１２の形状について、噴孔上流部１２ａ及び噴孔下流部１２ｂを様々な形状に変形した例を示す。なお、燃料噴射装置１１０では、噴孔上流部１２ａの上流側の母線と噴孔下流部１２ｂの上流側の母線が略一致するようにしている。
【００６９】
例えば、図２１（ａ）では、噴孔上流部１２ａ及び噴孔下流部１２ｂはいずれも矩形としている。図２１（ｂ）では、噴孔上流部１２ａ及び噴孔下流部１２ｂはいずれも隅を曲線としてアールを持たせた矩形としている。図２１（ｃ）では、噴孔上流部１２ａは楕円とし、噴孔下流部１２ｂは円弧を直線で結んだ形状としている。なお、いずれの例においても噴孔下流部１２ｂは上下流方向に扁平させている。
【００７０】
ニードル弁２０のリフト量が小さく、低リフト状態である場合、流れ制御部２２の一部がサック室１４内に位置し、図２１に示すように、噴孔上流部１２ａの中心軸Ｍの軸心方向より下向きに燃料が噴出される。一方、ニードル弁２０のリフト量が大きく、高リフト状態である場合、流れ制御部２２がサック室１４より上流側に位置し、図２２に示すように、低リフト状態のときより噴孔上流部１２ａの中心軸Ｍに近い上向きに燃料が噴射される。
【００７１】
なお、第６の実施の形態における燃料噴射装置１１０では、噴孔諸元や噴射条件によっては噴孔上流部１２ａの入口の上側で燃料の流れが内壁面から剥がれた剥離領域を生じる可能性がある。しかしながら、燃料噴射装置１１０によれば噴孔上流部１２ａから噴孔下流部１２ｂにわたって噴孔の上側に長い距離の壁面が燃料の流れの近傍に形成されるため、コアンダ効果により燃料の流れが噴孔下流部１２ｂの上流側の壁面に付着することになり、噴孔上流部１２ａの中心軸Ｍの方向に燃料を安定して噴射させることができる。
【００７２】
また、燃料噴射装置１１０においても噴孔下流部１２ｂを扁平させることによって、燃料噴射装置１０４と同様に、燃料の噴射における周方向へのずれを小さくすることができ、燃料の噴射方向をより正確かつ安定に制御することができる。
【００７３】
本実施の形態においても、数式（１）の関係を満たす構成とすることが好適である。これにより、ＰＣＣＩ燃焼時における未燃ＨＣの排出量を抑制することができる。さらに、数式（２）が成り立つように燃料噴射装置１１０を構成することで、ＰＣＣＩ燃焼時における未燃ＨＣの排出量をより抑制することができる。
【００７４】
以上のように、本発明の実施の形態における燃料噴射装置によれば、ニードル弁のリフト量に応じて噴孔からの燃料の噴射方向を制御することができる。また、燃料のオイル希釈や未燃焼の炭化水素化合物（ＨＣ）の発生を抑制することができる。また、本発明の実施の形態における燃料噴射装置は、非常に簡単な構造であるため、高い加工精度を必要とすることなく、加工時間や製造コストを低減することができる。また、ニードル弁の機械的強度を損なうことなく、耐久性に優れた燃料噴射装置を提供することができる。
【符号の説明】
【００７５】
１０  ノズルボディ、１１  シート面、１２  噴孔、１２ａ  噴孔上流部、１２ｂ  噴孔下流部、１４  サック室、２０  ニードル弁、２１  シート部、２２  流れ制御部、２４  ニードル先端傾斜部、１００，１０２，１０４，１０６，１０８，１１０  燃料噴射装置。
【図１】
2018145970.tif 000003
【図２】
2018145970.tif 000004
【図３】
2018145970.tif 000005
【図４】
2018145970.tif 000006
【図５】
2018145970.tif 000007
【図６】
2018145970.tif 000008
【図７】
2018145970.tif 000009
【図８】
2018145970.tif 000010
【図９】
2018145970.tif 000011
【図１０】
2018145970.tif 000012
【図１１】
2018145970.tif 000013
【図１２】
2018145970.tif 000014
【図１３】
2018145970.tif 000015
【図１４】
2018145970.tif 000016
【図１５】
2018145970.tif 000017
【図１６】
2018145970.tif 000018
【図１７】
2018145970.tif 000019
【図１８】
2018145970.tif 000020
【図１９】
2018145970.tif 000021
【図２０】
2018145970.tif 000022
【図２１】
2018145970.tif 000023
【図２２】
2018145970.tif 000024
【図２３】
2018145970.tif 000025
【図２４】
2018145970.tif 000026
【図２５】
2018145970.tif 000027
【図２６】
2018145970.tif 000028
【図２７】
2018145970.tif 000029