(57)【要約】【課題】従来よりも拡散性の向上が可能な、燃料噴射ノズルを提供する。【解決手段】燃料噴射ノズル１０は、弁体１２及びノズルボディ１４を備える。ノズルボディ１４には、燃料供給路２０、燃料供給路２０に接続され弁体１２を変位可能に収容する収容室１６、及び収容室１６に接続される噴孔２２が形成される。噴孔２２は螺旋状に穿孔される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
弁体と、
燃料供給路、前記燃料供給路に接続され前記弁体を変位可能に収容する収容室、及び前記収容室に接続される噴孔が形成されたノズルボディと、
を備える燃料噴射ノズルであって、
前記噴孔が螺旋状に穿孔された、燃料噴射ノズル。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料噴射ノズルであって、
前記噴孔の入口が非真円形状であって、前記噴孔は、前記非真円形状の重心を通る旋回中心軸に沿って前記非真円形状が旋回された螺旋状に穿孔された、燃料噴射ノズル。
【請求項３】
請求項１に記載の燃料噴射ノズルであって、
前記噴孔は、その入口形状の重心から外れた旋回中心軸に沿って前記入口形状が旋回された螺旋状に穿孔された、燃料噴射ノズル。
【請求項４】
請求項２または３に記載の燃料噴射ノズルであって、
前記噴孔の前記旋回中心軸に沿った穿孔長さＬは、前記旋回中心軸に垂直な断面形状の外接円半径ｒに対して３．５ｒ以上である、燃料噴射ノズル。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか一つに記載の燃料噴射ノズルであって、
前記噴孔のねじれ角が１０°以上である、燃料噴射ノズル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関に燃料を噴射する燃料噴射ノズルに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料噴射ノズルには、燃料噴流の安定で良好な分散性（拡散性）が求められる。例えば特許文献１では、噴孔の経路を断面略Ｌ字とし、意図的に燃料噴流を噴孔壁に当てて進行方向を曲げることで噴孔内の燃料噴流に複数の二次流れ渦を形成させ、燃料噴流を拡散させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２００８−５３６０４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、噴孔内で発生する二次流れ渦の数が増えるほど、個々の渦は小さくなり、燃料噴流の拡散性（ヘリシティ）も弱くなる。そこで本発明は、従来よりも拡散性の向上が可能な、燃料噴射ノズル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】
【０００５】
本発明に関する燃料噴射ノズルは、弁体及びノズルボディを備える。ノズルボディには、燃料供給路、燃料供給路に接続され弁体を変位可能に収容する収容室、及び収容室に接続される噴孔が形成される。噴孔は螺旋状に穿孔される。
【０００６】
また、上記発明において、噴孔の入口が非真円形状であって、噴孔は、非真円形状の重心を通る旋回中心軸に沿って非真円形状が旋回された螺旋状に穿孔されてよい。
【０００７】
また、上記発明において、噴孔は、その入口形状の重心から外れた旋回中心軸に沿って入口形状が旋回された螺旋状に穿孔されてよい。
【０００８】
また、上記発明において、噴孔の旋回中心軸に沿った穿孔長さＬは、旋回中心軸に垂直な断面形状の外接円半径ｒに対して３．５ｒ以上であってよい。
【０００９】
また、上記発明において、噴孔のねじれ角が１０°以上であってよい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、噴孔が螺旋状に穿孔される。噴孔内の燃料噴流がこの螺旋形状に沿って流れる結果、主流方向に対して垂直な断面に一つの二次流れ渦が強制的に形成される。二次流れ渦が複数に分割される場合と比較して渦を大きく形成でき、その結果燃料噴流の拡散性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本実施形態に係る燃料噴射ノズルの断面を例示する図である。
【図２】本実施形態に係る燃料噴射ノズルの噴孔の入口及び全体を例示する図である。
【図３】本実施形態に係る燃料噴射ノズルの噴孔内を流れる燃料噴流の流れを例示する図である。
【図４】本実施形態に係る燃料噴射ノズルの噴孔内を流れる燃料噴流の相対ヘリシティの分布を示す図である。
【図５】ねじれ角αについて説明する図である。
【図６】本実施形態に係る燃料噴射ノズルの噴射実験結果を例示する図である。
【図７】本実施形態に係る燃料噴射ノズルの噴孔内を流れる燃料噴流の相対ヘリシティの分布を示す図である。
【図８】本実施形態に係る燃料噴射ノズルの噴孔形状の変形例を説明する図である。
【図９】本実施形態に係る燃料噴射ノズルの噴孔形状の更なる変形例を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図１には、本実施形態に係る燃料噴射ノズル１０の断面図が例示されている。燃料噴射ノズル１０は、例えば車両等の内燃機関に燃料を噴射する。燃料噴射ノズル１０は、例えば直接噴射式内燃機関（直噴エンジン）に搭載されたインジェクターであってよい。また、燃料噴射ノズル１０は、燃料として軽油またはガソリンを噴射する。なお、図１に例示する燃料噴射ノズル１０は、噴孔２２が複数形成されたいわゆる多孔ホールノズルであるが、これに代えて単一の噴孔２２が形成されたいわゆる単孔ホールノズルであってもよい。
【００１３】
燃料噴射ノズル１０は、弁体１２及びノズルボディ１４を備える。弁体１２は例えばニードルバルブから構成され、図示しないプランジャー及びソレノイドコイル等のアクチュエータ部材によってノズルボディ１４の収容室１６を進退可能となっている。すなわち、弁体１２は収容室１６のシール面１８に当接（着座）した状態（閉止状態）と、当該シール面１８から離間する状態（開放状態）とに移動可能となっている。
【００１４】
ノズルボディ１４には、燃料供給路２０、収容室１６、及び噴孔２２が形成されている。燃料供給路２０は図示しないフューエルデリバリーパイプと接続され、当該パイプから燃料が供給される。収容室１６は、燃料供給路２０に接続され、また弁体１２を収容する空間である。弁体１２の進退運動を可能とするため、収容室１６は、弁体１２よりもその進退方向の容積が大きくなるように形成されている。
【００１５】
噴孔２２はその入口が収容室１６に接続され、出口が外部に露出される。噴孔２２は長手方向に延びる軸線Ｃに沿って燃料噴射ノズル１０の内壁を貫通する。本実施形態に係る噴孔２２は、図２に示すように、その軸線Ｃに沿って螺旋状に穿孔される。この螺旋形状に沿って燃料噴流が流れることで、主流方向（軸線Ｃ方向）に対して垂直な断面に一つの二次流れ渦が強制的に形成される。二次流れ渦が複数に分割される場合と比較して渦を大きく形成でき、その結果燃料噴流の拡散性が向上する。
【００１６】
図２には噴孔２２の拡大図が例示されている。噴孔２２の軸線Ｃに垂直な断面形状は正三角形となっている。噴孔２２は、その入口２４の形状が、軸線Ｃに沿って連続的に（滑らかに）旋回され、その結果噴孔２２が螺旋状に穿孔される。図２に示す例では、軸線Ｃは入口２４の形状（正三角形）の中心（重心、質量中心）を通る。また以下では軸線Ｃを適宜「旋回中心軸」と呼ぶ。図２に示す例では、噴孔２２の入口２４と出口２６との位相差が１２０°となっている。なお入口２４から出口２６までの間に図示された破線形状は、噴孔２２の、旋回中心軸Ｃに垂直な断面図であって、それぞれ２４°位相を進めたときの断面図である。
【００１７】
図３に示すように、燃料噴流２８に、噴孔２２のねじれ方向Ｔ１（反時計回り）に沿った二次流れ渦３０が発生する。二次流れ渦３０は噴孔２２のねじれに従って形成されるため単一の渦となり、実質的に（原理的に）分割されないまま出口２６から燃料噴流２８が噴射される。このとき、二次流れ渦３０の遠心力によって燃料噴流２８が旋回中心軸Ｃに対して半径方向に拡散（分散）される。
【００１８】
また、旋回流となる燃料噴流２８の噴孔２２内の圧力分布に着目すると、旋回中心軸Ｃに垂直な断面において、旋回渦の中心の圧力は相対的に低くなる。このとき、渦中心部の圧力が燃料の飽和蒸気圧よりも低圧となった場合には、渦中心部でキャビテーションが発生する。キャビテーションによる気泡が下流に流され、噴孔２２の出口２６に到達すると、雰囲気圧力が飽和蒸気圧よりも高い場合にはキャビテーションによる気泡は収縮して崩壊する。気泡崩壊時に発生する圧力波や乱流によって燃料噴射の分裂が促進される。このように、燃料噴流２８の内部から燃料の微粒化が促進される。
【００１９】
図４には、本実施形態に係る噴孔２２の、相対ヘリシティの分布が記載されている。相対ヘリシティは、噴孔２２内部における、主流方向（旋回中心軸Ｃ方向、長手方向）の流れの強さに対する旋回流の強さを示す指標である。相対ヘリシティは下記数式（１）のように表される。
【００２０】
【数１】
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【００２１】
図４には噴孔２２の位相差２４°ごとの相対ヘリシティの断面分布が示されている。ハッチングの線密度は相対ヘリシティの強さを示しており、線密度が高いほど相対ヘリシティが大きい。また図４のグラフでは噴孔２２のねじれｒθを噴孔２２の長手方向長さＬで標準化した値ｒθ／Ｌが横軸に示される。図５に示すように、ｒは噴孔２２の旋回中心軸Ｃに垂直な断面形状の外接円半径であり、θは入口２４から各断面までの位相差を表している。
【００２２】
また、図４の相対ヘリシティ分布及びグラフを得るに当たり、噴孔２２の断面は一辺０．２ｍｍの正三角形とし、噴孔長さＬは１ｍｍとした。また入口２４から出口２６までの位相差θは１２０°とした。
【００２３】
図４のグラフ及びシミュレーションから、噴孔２２の入口２４からそのやや下流（標準化ねじれｒθ／Ｌ＝０〜０．０５の区間）にかけては燃料噴流２８の旋回成分が十分に発達していないため燃料噴流２８に加えられるねじれ（二次流れ渦の強さ）は相対的に小さくなる。旋回成分が発達し始める標準化ねじれｒθ／Ｌ＝０．０５以上の区間では標準化ねじれｒθ／Ｌの増加に伴って二次流れ渦が強くなる。また、図４のシミュレーションでは、相対ヘリシティは標準化ねじれｒθ／Ｌが０．１５と０．２の間にピーク（極大値）を取り、その後標準化ねじれｒθ／Ｌの増加に伴って減少する。これは、標準化ねじれｒθ／Ｌの増加に伴い、噴孔２２内の摩擦損失等が増加して旋回成分が弱くなるものと考えられる。
【００２４】
図６には、図１に係る燃料噴射ノズル１０を用いた噴射実験例が示されている。ここで、図６の上段及び中段は図２〜図５に示された断面正三角形の噴孔２２から噴射された燃料の拡散プロセスが時系列（横軸、０．１［ｍｓ］ごと）で示されている。縦軸は噴孔出口２６からの距離［ｍｍ］を示す。なお上段と中断とで観察する方向を変えている。
【００２５】
また下段は参考例（従来例）であって、断面が円形で内部にねじれのない（ストレートな）噴孔から燃料を噴射させた例が示されている。いずれの噴射実験においても、大気圧雰囲気にて噴射を行っている。この図に示されているように、本実施形態に係る燃料噴射ノズル１０を用いることで、従来の燃料噴射ノズルよりも拡散性（分散性）が向上していることが理解される。
【００２６】
図４のシミュレーション結果から、燃料噴流２８に二次流れ渦を形成させるに当たり、噴孔２２がある程度ねじれている必要がある。このねじれについて、図５に示すねじれ角αを用いる。ねじれ角αは、長さＬの辺とこれと直角な長さｒθの辺の直角三角形における、長さＬの辺と斜辺ａとのなす角である。長さＬは、噴孔２２の旋回中心軸Ｃに沿った長さ（長手方向長さ、穿孔深さ）である。また辺ｒθは、入口２４から出口２６までの位相差θ及び噴孔断面の外接円半径ｒとの積（円弧）ｒθを展開したものである。図４に示す例では、ねじれ角αが約１３．５°となるように噴孔２２が形成されている。これを踏まえて、噴孔２２のねじれ角αは１０°以上であってよい。
【００２７】
また、二次流れ渦を形成させる上でいわゆる助走区間となるような距離（噴孔長さＬ）が必要である。ここで、旋回中心軸Ｃ方向の噴孔長さＺを、噴孔２２の断面の外接円半径ｒで除した無次元パラメータＺ／ｒを用いる。図７には、図４のグラフの横軸をｒθ／ＬからＺ／ｒに変換したグラフが示されている。このグラフに示されているように、相対ヘリシティＨｒが０．４以上となる領域において、無次元パラメータＺ／ｒが３．５以上となっている。これを踏まえて、旋回中心軸Ｃ方向に沿った噴孔長さＬは、３．５ｒ以上であってよい。
【００２８】
なお、図２〜図７では、噴孔２２の断面形状（入口形状）が正三角形である例を挙げたが、これに限らず種々の変形が可能である。例えば噴孔２２の（旋回中心軸Ｃに垂直な）断面形状が非真円形状であってよい。具体的には噴孔２２の断面形状は、図８（Ａ）の矩形（正方形または長方形）、図８（Ｂ）の六角形（正六角形）のような、多角形（正多角形）であってもよい。またこれに代えて、図８（Ｃ）の五芒星型、図８（Ｄ）の六芒星型、図８（Ｅ）の四芒星型のような星型多角形（星型正多角形）であってもよい。さらに、図８（Ｆ）の楕円、図８（Ｇ）の半円、図８（Ｈ）のミアンダ形状のように、曲線形状であってもよい。なお、噴孔２２の断面形状が（正多角形のような）点対称形状とはならない場合、上記の外接円ｒは、噴孔２２の断面形状の重心と、重心から最も離れた点との距離を指すものとする。
【００２９】
図２〜図７及び図８のような非真円形状は、真円形状と比較して、噴孔２２の周長（輪郭の長さ）と断面積との比を大きくできる。こうすることで噴孔２２の出口２６から噴出される燃料噴流２８の表面積を、噴孔２２の出口２６が真円形状である場合と比較して広くできる。その結果、噴流表面における周囲の空気との剪断応力を受ける面積が相対的に増加し、ケルビン−ヘルムホルツ不安定性による噴流表面からの液体分裂（微粒化）が促進される。
【００３０】
なお、図８の例において、旋回中心軸Ｃは各形状の重心（図８にてドットで示す）を通るようにしてもよい。または、重心から外れた位置を旋回中心軸Ｃに取ってもよい。いずれにしても、これらのように定められた旋回中心軸Ｃに沿って非真円形状の入口形状が旋回された螺旋状の噴孔２２が穿孔される。
【００３１】
重心から外れた位置に旋回中心軸Ｃを設ける場合、図９（Ｉ）のように、入口２４から出口２６にかけての断面形状が真円形状であるような噴孔２２を設けてもよい。重心から外れた位置に旋回中心軸Ｃを設けることで、入口形状が真円であってもその入口形状を旋回中心軸Ｃに沿って旋回させることで、螺旋状の噴孔２２を穿孔可能となる。
【符号の説明】
【００３２】
１０  燃料噴射ノズル、１２  弁体、１４  ノズルボディ、１６  収容室、１８  シール面、２０  燃料供給路、２２  噴孔、２４  噴孔入口、２６  噴孔出口、２８  燃料噴流、３０  二次流れ渦、Ｃ  旋回中心軸。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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