(57)【要約】【課題】簡単な構造により、低いコストで、ノズル本体の内部で旋回流を生じさせ、噴射燃料の微粒化を促進することで、燃料の燃焼性および排気特性の改善に貢献する。【解決手段】燃料噴射ノズル１は、一端に燃料を噴出させる噴孔２が形成され、噴孔２に燃料を導く燃料通路３を有するノズル本体４と、ノズル本体４に挿入される軸状の部材であり、ノズル本体４とともに、ノズル本体４に対する軸方向の往復移動により燃料通路３を開閉する弁部７を構成するニードル５とを備え、燃料通路３は、燃料溜り部８と、燃料溜り部８よりも上流側に設けられ、ニードル５のノズル本体４に対する挿入方向側に向けて燃料を導く燃料供給通路部２１と、燃料溜り部８と燃料供給通路部２１との間に設けられ、ニードル５の軸方向に対して垂直な平面に沿う方向に形成され、燃料溜り部８に対して、ニードル５の径方向からずれた方向に連通する方向変換通路部２２とを有する。【選択図】図１
2012154309.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一端に燃料を噴出させる噴孔が形成され、前記噴孔に燃料を導く燃料通路を有するノズル本体と、
前記ノズル本体に挿入される軸状の部材であり、前記ノズル本体とともに、前記ノズル本体に対する軸方向の往復移動により前記燃料通路を開閉する弁部を構成するニードルと、を備え、
前記燃料通路は、
前記ニードルの外周面とともに、前記ニードルの軸心回りに燃料を保持する空間を形成する燃料溜り部と、
前記燃料溜り部よりも上流側に設けられ、前記ニードルの前記ノズル本体に対する挿入方向側に向けて燃料を導く第１の通路部と、
前記燃料溜り部と前記第１の通路部との間に設けられ、前記ニードルの軸方向に対して垂直な平面に沿う方向に形成され、前記燃料溜り部に対して、前記ニードルの径方向からずれた方向に連通する第２の通路部と、を有する、
燃料噴射ノズル。
【請求項２】
前記第２の通路部は、前記燃料溜り部および前記第１の通路部に対する絞りを構成する、
請求項１に記載の燃料噴射ノズル。
【請求項３】
前記燃料溜り部は、前記ニードルの軸方向視で円形状となる内周面部を有し、
前記第２の通路部は、前記燃料溜り部に対して、前記円形状における接線方向に連通する、
請求項１または請求項２に記載の燃料噴射ノズル。
【請求項４】
前記燃料溜り部により形成される空間は、前記ニードルの軸方向に沿って、下流側に向けて縮径する先細り形状を有する、
請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料噴射ノズル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ディーゼルエンジン等に用いられる燃料噴射ノズルに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ディーゼルエンジン等のエンジンにおいては、排気ガスに含まれる有毒物質の排出量の低減や、二酸化炭素の排出量の低減を促す熱効率の向上や、スモークの排出量の低減等のために、燃料噴射弁を構成する燃料噴射ノズルの特性の改善が重要な鍵を握っている。特に、スモークの排出量を低減させる観点からは、燃料噴射ノズルから噴射された燃料が速やかに微粒化して燃料蒸気となり、空気と混合して燃焼することが望ましい。そこで、燃料噴射ノズルにおいては、従来、噴射された燃料噴霧の微粒化を促進するため、燃料の噴射圧の高圧化や燃料の噴射孔の微細化等の種々の工夫が行われている。
【０００３】
燃料噴射ノズルにおいては、噴射燃料の微粒化を促進するため、噴射する燃料に旋回流を生じさせる工夫を行うことが、従来技術として存在する。噴射する燃料に旋回流を生じさせる構成としては、例えば特許文献１の燃料噴射ノズルのように、噴射する燃料の旋回流を、燃料が噴孔から燃料噴射ノズルの外部に噴出する直前となる噴孔内で生じさせるものがある。具体的には、特許文献１の燃料噴射ノズルは、燃料が噴出する噴孔を弁座の内周面の接線方向に形成すること等により、噴孔内に流れ込む燃料の所定の方向の流速に遅速を生じさせ、噴孔内に旋回流を生じさせる。
【０００４】
一方、噴射する燃料に旋回流を生じさせる構成としては、例えば特許文献２の燃料噴射ノズルのように、噴射する燃料の旋回流を、噴孔内よりも上流側、つまりノズルボディ等と呼ばれるノズル本体の内部で生じさせるものがある。特許文献２の燃料噴射ノズルは、ノズル本体に挿入されてノズル本体に設けられる弁座に着座するニードルの周囲に、旋回流を生じさせる。このため、特許文献２の燃料噴射ノズルにおいては、ニードルの外周面に、螺旋溝が形成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−３２４８６８号公報
【特許文献２】特開平６−１４７０５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献２の燃料噴射ノズルのように、ニードルの外周面に螺旋溝が形成される構成によれば、ニードルの形状が複雑となる。このため、ニードルの加工が難しく、加工コストも高くなる。
【０００７】
他方、噴射燃料の微粒化を促進するため、マイクロバブルを含む燃料をポンプにより圧縮するという方法も考案されている。しかしながら、マイクロバブルを用いる方法は、マイクロバブルを生成して燃料中に入れるために動力が必要であること、マイクロバブルの生存時間が限られていること、圧縮用のポンプの内部およびポンプに接続される配管の途中で気泡が発生して燃料が正常に送れなくなること等から、現実的ではないと考えられる。
【０００８】
そこで、本発明は、簡単な構造により、低いコストで、ノズル本体の内部で旋回流を生じさせることができ、噴射燃料の微粒化を促進することができ、燃料の燃焼性および排気特性の改善に貢献することができる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】
【０００９】
本発明の燃料噴射ノズルは、一端に燃料を噴出させる噴孔が形成され、前記噴孔に燃料を導く燃料通路を有するノズル本体と、前記ノズル本体に挿入される軸状の部材であり、前記ノズル本体とともに、前記ノズル本体に対する軸方向の往復移動により前記燃料通路を開閉する弁部を構成するニードルと、を備え、前記燃料通路は、前記ニードルの外周面とともに、前記ニードルの軸心回りに燃料を保持する空間を形成する燃料溜り部と、前記燃料溜り部よりも上流側に設けられ、前記ニードルの前記ノズル本体に対する挿入方向側に向けて燃料を導く第１の通路部と、前記燃料溜り部と前記第１の通路部との間に設けられ、前記ニードルの軸方向に対して垂直な平面に沿う方向に形成され、前記燃料溜り部に対して、前記ニードルの径方向からずれた方向に連通する第２の通路部と、を有するものである。
【００１０】
本発明の燃料噴射ノズルにおいては、好ましくは、前記第２の通路部は、前記燃料溜り部および前記第１の通路部に対する絞りを構成するものである。
【００１１】
本発明の燃料噴射ノズルにおいては、好ましくは、前記燃料溜り部は、前記ニードルの軸方向視で円形状となる内周面部を有し、前記第２の通路部は、前記燃料溜り部に対して、前記円形状における接線方向に連通するものである。
【００１２】
本発明の燃料噴射ノズルにおいては、好ましくは、前記燃料溜り部により形成される空間は、前記ニードルの軸方向に沿って、下流側に向けて縮径する先細り形状を有するものである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、簡単な構造により、低いコストで、ノズル本体の内部で旋回流を生じさせることができ、噴射燃料の微粒化を促進することができ、燃料の燃焼性および排気特性の改善に貢献することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態に係る燃料噴射ノズルの構成を示す一部断面図。
【図２】本発明の一実施形態に係る燃料噴射ノズルの開弁状態を示す一部断面図。
【図３】本発明の一実施形態に係る燃料噴射ノズルのノズル本体の構成を示す断面図。
【図４】図３におけるＡ方向矢視図。
【図５】図３におけるＢ−Ｂ矢視断面図。
【図６】本発明の一実施形態に係る燃料噴射ノズルの他の構成例を示す図。
【図７】本発明の一実施形態に係る燃料噴射ノズルの他の構成例を示す図。
【図８】本発明の実施例に係る実施例品に対する比較例品の構成を示す図。
【図９】本発明の実施例に係る解析装置の構成を示す図。
【図１０】本発明の実施例に係る燃料の燃焼の様子を表す連続的な撮像画像の一例を示す図。
【図１１】本発明の実施例に係る燃料の燃焼の様子を表す連続的な撮像画像の一例を示す図。
【図１２】本発明の実施例に係る燃料の燃焼の様子を表す連続的な撮像画像の一例を示す図。
【図１３】本発明の実施例に係る燃料の燃焼過程における雰囲気圧力の時間変化を示す図。
【図１４】本発明の実施例に係る燃料の噴霧の様子の撮影についての説明図。
【図１５】本発明の実施例に係る燃料の噴霧の様子の撮影結果例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明は、燃料噴射ノズルを構成するノズル本体において、燃料を噴出させる噴孔に燃料を導くために形成される燃料の経路の構成を工夫することにより、簡単な構造で、ノズル本体の内部で旋回流を生じさせ、噴射燃料の微粒化を促進しようとするものである。また、燃料の経路において、所定の部分を絞りとして構成することにより、ノズル本体の内部でのキャビテーションの発生を促し、より効果的に噴射燃料の微粒化を促進しようとするものである。以下、本発明の実施の形態を説明する。
【００１６】
本実施形態の燃料噴射ノズル１は、例えば舶用や自動車用のエンジンに適用され、エンジンにおいて、ディーゼル燃料等の燃料の噴射弁を構成する。すなわち、燃料噴射ノズル１は、例えば、エンジンにおいて、シリンダ内に燃料の燃焼空間を形成する燃焼室に燃料を噴射するように設けられる。
【００１７】
燃料噴射ノズル１は、燃料タンク等からコンプレッサや燃料ポンプ等によって加圧された状態で送られてくる燃料の供給を受け、エンジンの燃焼空間に燃料を噴射する。このため、図１に示すように、燃料噴射ノズル１は、燃料を噴出させる噴孔２と、供給された燃料を噴孔２に導くための燃料の経路である燃料通路３とを有する。
【００１８】
つまり、燃料噴射ノズル１は、エンジンにおいて、噴孔２が燃焼空間に臨むような姿勢で設けられ、燃料ポンプ等によって加圧された状態で供給される燃料を、燃料通路３によって噴孔２に導き、噴孔２から噴出させることで、燃料を燃焼空間に噴射する。なお、以下の説明では、燃料噴射ノズル１において、噴孔２が設けられる側（図１における下側）を下側とし、その反対側（図１における上側）を上側とする。
【００１９】
燃料噴射ノズル１により構成される燃料噴射弁は、例えば、コモンレール式の燃料噴射システムを構成する。コモンレール式の燃料噴射システムは、複数の燃料噴射弁と、高圧化した燃料を蓄えるコモンレールとを備え、コモンレールから各燃料噴射弁に均一に燃料を供給するシステムである。
【００２０】
コモンレール式の燃料噴射システムでは、燃料の噴射圧力、噴射時期、噴射量等が、制御装置によって電子的に制御される。このため、燃料噴射ノズル１がコモンレール式の燃料噴射システムの各燃料噴射弁を構成する場合、燃料噴射ノズル１は、その動作等について、制御装置による電子的な制御を受ける。
【００２１】
図１から図５に示すように、本実施形態の燃料噴射ノズル１は、ノズル本体４と、ニードル５とを備える。ノズル本体４は、全体として略円筒状の外形を有する部材である。ニードル５は、全体として略円柱状の外形を有する軸状の部材である。なお、図３は、図４におけるＣ−Ｃ断面図に相当する。
【００２２】
ニードル５は、ノズル本体４に対して、略同軸心となる位置に挿入された状態で、軸方向（上下方向）に相対的に移動可能に設けられる。言い換えると、ニードル５は、ノズル本体４への挿脱方向（上下方向）の移動が許容された状態で、ノズル本体４に挿入される。
【００２３】
図１から図５に示すように、ノズル本体４は、ニードル５を挿入させる孔を形成する案内面６を有する。ノズル本体４は、ニードル５を、軸方向（上下方向）に往復摺動可能な状態で収容する。このため、ニードル５の挿入孔を形成する案内面６は、ノズル本体４に挿入されたニードル５が摺動するように、ニードル５の外周面に対応する内周面として形成される。つまり、ニードル５の案内面６に対して摺動する部分の外径寸法と、案内面６の内径寸法とは、略同じである。案内面６は、ニードル５の軸方向の移動を案内するとともに、ニードル５をノズル本体４に保持する。
【００２４】
図１に示すように、燃料噴射ノズル１は、ノズル本体４とニードル５により、燃料通路３を開閉する弁部７を構成する。弁部７は、ノズル本体４に対するニードル５の往復摺動により開閉する。具体的には次のとおりである。
【００２５】
燃料噴射ノズル１が有する噴孔２は、ノズル本体４の下端に形成される。本実施形態の燃料噴射ノズル１は、１個の噴孔２を有する。噴孔２は、ニードル５の軸心線上に位置し、ニードル５の軸方向に沿って貫通する。噴孔２は、ノズル本体４の下側において、燃料通路３をノズル本体４の外部に開口させる。
【００２６】
また、燃料通路３は、ノズル本体４において、噴孔２が形成される側と反対側（上側）の端面４ａに開口する。燃料通路３の端面４ａに対する開口部が、燃料通路３の入口部３ａとなる。したがって、燃料噴射ノズル１に供給される燃料は、入口部３ａから流入し、燃料通路３によって噴孔２へと導かれる。
【００２７】
噴孔２と案内面６との間には、燃料溜り部８が設けられる。燃料溜り部８は、燃料通路３の一部を構成する。燃料溜り部８は、内周面９によって空間１８を形成する。内周面９により形成される空間１８は、案内面６で形成されるニードル５の挿入孔の下端側を開口させるように、ニードル５の挿入孔に対して拡径した部分を有する。燃料溜り部８は、先端通路部１０を介して、噴孔２に連通する。つまり、燃料溜り部８と噴孔２との間に、先端通路部１０が設けられる。先端通路部１０は、弁部７におけるノズル本体４の強度確保等のために設けられるが、その通路長さは短い方が好ましい。
【００２８】
先端通路部１０は、ニードル５と同軸心上に位置する略円筒状の空間を形成する部分であり、噴孔２に対しては拡径された空間を形成し、燃料溜り部８に対しては縮径された空間を形成する。つまり、先端通路部１０の径方向の寸法は、噴孔２の径方向の寸法よりも大きく、燃料溜り部８の径方向の寸法よりも小さい。
【００２９】
したがって、先端通路部１０の上端側（噴孔２と連通する側と反対側）は、燃料溜り部８に対して開口する。先端通路部１０の燃料溜り部８に対する開口部が、ニードル５により閉塞されることで、弁部７が閉じた状態となる。
【００３０】
先端通路部１０がニードル５によって閉塞されるため、燃料溜り部８を形成する内周面９の、先端通路部１０側の部分には、弁座１１が設けられている。弁座１１は、先端通路部１０の燃料溜り部８に対する開口部の周辺部分に形成される。
【００３１】
弁座１１は、下側（噴孔２側）にかけて縮径する円錐台状の内周面である座面を形成する。したがって、弁座１１は、小径側で噴孔２に連通し、大径側で燃料溜り部８に連通する。弁座１１は、その円錐台状の座面の軸心方向が、ニードル５の軸心方向と一致するように設けられる。
【００３２】
弁部７を構成する弁座１１に対しては、弁体として機能するニードル５の先端部が着座する。ニードル５は、ノズル本体４に対する挿入方向の先端側の端部に、縮径部１２を有する。縮径部１２は、ニードル５において、案内面６を形成する部分に対して小径の部分である。縮径部１２は、燃料溜り部８に位置する。縮径部１２のさらに先端側には、弁座１１に対して着座する部分となる着座部１３が設けられている。
【００３３】
着座部１３は、ニードル５の先端側にかけて縮径する円錐形状を有する。着座部１３の外周面が、弁座１１により形成される座面に対する着座面となる。つまり、着座部１３により形成される着座面が、弁座１１により形成される座面に接触することで、弁部７が閉じた状態となり、着座部１３により形成される着座面が、弁座１１により形成される座面から離間することで、弁部７が開いた状態となる。
【００３４】
図１は、燃料噴射ノズル１の閉弁状態、つまり弁部７が閉じた状態を示し、図２は、燃料噴射ノズル１の開弁状態、つまり弁部７が開いた状態を示す。弁部７は、上記のとおりニードル５の往復摺動により開閉する。ニードル５は、スプリング等の付勢部材によって、弁部７を閉じる方向、つまり下向きに付勢された状態で設けられる。ニードル５は、付勢部材による付勢力を受けるため、着座部１３側と反対側（上側）の端部に、突出部１４を有する。突出部１４は、ニードル５の上端部において、案内面６を形成する部分に対して小径の円柱状の突起部分として形成される。
【００３５】
一方、ニードル５は、縮径部１２において、先端側（下側）にかけて縮径するテーパ面１２ａを有する。上述したように、縮径部１２は、燃料溜り部８に位置し、燃料溜り部８は、燃料通路３の一部を構成する。このため、ニードル５は、燃料溜り部８において、テーパ面１２ａによって、燃料通路３に供給される高圧（例えば８００気圧）に維持された燃料の圧力を受けることで、弁部７を開弁させる方向（上向き）の力の作用を受ける。
【００３６】
なお、上述したように燃料噴射ノズル１がコモンレール式の燃料噴射システムに適用される場合、燃料噴射ノズル１のニードル５の動作は、電磁弁やピエゾ素子（圧電素子）等を含む周知の構成によって電子的に制御される。ニードル５は、電子的な制御により、弁部７を開弁させる方向（上向き）の力、または弁部７を閉弁させる方向（下向き）の力の作用を受ける。
【００３７】
いずれにしても、ニードル５に作用する上下方向の力の大小関係の変化により、弁部７の開閉動作が行われる。すなわち、付勢部材による付勢力等によってニードル５が受ける下向きの力が、燃料溜り部８においてテーパ面１２ａ等によってニードル５が受ける上向きの力よりも大きい状態では、ニードル５の先端の着座部１３は、弁座１１に着座し、弁部７が閉じた状態となる（図１参照）。一方、ニードル５が受ける上向きの力が下向きの力よりも大きい状態では、ニードル５の先端の着座部１３は、弁座１１から離れ、弁部７が開いた状態となる（図２参照）。
【００３８】
このような弁部７の開閉動作において、電子的な制御が用いられる場合、電磁弁に対する通電状態やピエゾ素子に対する電圧の印加状態等により、ニードル５に作用する上下方向の力の大小関係が変化させられる。そして、弁部７の開閉のタイミングによって燃料の噴射時期が制御され、弁部７の開弁時間によって燃料の噴射量が制御されながら、弁部７の開閉により、間欠的な燃料の噴射が行われる。
【００３９】
以上のように、本実施形態の燃料噴射ノズル１は、一端に燃料を噴出させる噴孔２が形成され、噴孔２に燃料を導く燃料通路３を有するノズル本体４と、ノズル本体４に挿入される軸状の部材であり、ノズル本体４とともに、ノズル本体４に対する軸方向（上下方向）の往復移動により燃料通路３を開閉する弁部７を構成するニードル５とを備える。なお、燃料噴射ノズル１の動作方式、つまり往復動作するニードル５の駆動方式は、特に限定されるものではない。
【００４０】
また、燃料噴射ノズル１においては、ノズル本体４に、連結ピン１５を嵌合させるための穴部４ｂが形成されている。穴部４ｂは、ノズル本体４の端面４ａに開口するように形成される。連結ピン１５は、燃料噴射ノズル１により構成される燃料噴射弁において、ノズル本体４に対して端面４ａ側に接合される構造体１６と、ノズル本体４とを連結させる。本実施形態では、端面４ａに開口する穴部４ｂは、同じく端面４ａに開口する入口部３ａと干渉しないように２箇所設けられ（図４参照）、ノズル本体４は、２本の連結ピン１５が用いられて所定の構造体１６に連結される。
【００４１】
以下では、燃料噴射ノズル１が備える燃料通路３の構成について、具体的に説明する。図１等に示すように、燃料通路３は、噴孔２に対する燃料の流れの上流側から、燃料供給通路部２１と、方向変換通路部２２と、燃料溜り部８とを有する。
【００４２】
燃料供給通路部２１は、ノズル本体４において、案内面６により形成される挿入孔の軸心回りの所定の位置に設けられ、ニードル５の軸方向に沿って形成される直線状の孔を形成する部分である。つまり、燃料供給通路部２１は、ノズル本体４において、軸心位置からずれた位置にて、案内面６により形成される挿入孔と平行に形成される孔部である。燃料供給通路部２１は、略円形状となる断面形状を有する。
【００４３】
燃料供給通路部２１の上流側（上側）の端部は、ノズル本体４の端面４ａにて、燃料通路３の入口部３ａとして開口する。一方、燃料供給通路部２１の下流側（下側）の端部は、上下方向について、燃料溜り部８の位置まで延びて形成される。燃料供給通路部２１の下流側の端部は、ニードル５の軸方向視で、燃料溜り部８に対して間隔を隔てた位置、つまりニードル５の径方向の外側の位置に臨む。
【００４４】
方向変換通路部２２は、燃料供給通路部２１と燃料溜り部８との間に設けられ、燃料供給通路部２１と燃料溜り部８とを連通させる直線状の孔を形成する部分である。方向変換通路部２２は、上記のとおり燃料溜り部８に対して間隔を隔てた位置に臨む燃料供給通路部２１の下流側の端部から、燃料溜り部８内に燃料を導く。
【００４５】
このため、方向変換通路部２２は、ニードル５の軸方向に対して垂直な平面に沿う方向に形成される。つまり、方向変換通路部２２は、燃料供給通路部２１によってニードル５の軸方向に沿って送られてきた燃料を、ニードル５の軸方向に対して垂直な平面に沿う方向に送る。このように、方向変換通路部２２は、燃料供給通路部２１によってニードル５の軸方向に沿って流れてきた燃料の流れる方向を、ニードル５の軸方向に対して垂直な平面に沿う方向に変換して、燃料溜り部８に燃料を導く。
【００４６】
方向変換通路部２２は、燃料溜り部８に対して、ニードル５の軸方向視で、燃料溜り部８の接線方向に沿うように形成される。図５に示すように、燃料溜り部８を形成する内周面９は、ニードル５の軸方向視で円形状となる内周面部２３を有する。そして、方向変換通路部２２は、燃料溜り部８に対して、内周面部２３によるニードル５の軸方向視での円形状における接線方向に連通する。
【００４７】
詳細には、図５に示すように、燃料溜り部８を形成する内周面９は、ニードル５の軸方向視で、ニードル５の軸心位置Ｏ１を中心とする円形状となる内周面部２３を有する。軸心位置Ｏ１を中心とする円形状においては、任意の位置にて接線Ｏ２を引くことができる。
【００４８】
そこで、直線状の孔を形成する方向変換通路部２２は、その直線の方向に相当する通路の方向が、軸心位置Ｏ１を中心とする円形状における接線Ｏ２の方向に沿う方向となるように設けられる。言い換えると、方向変換通路部２２は、その通路の方向が、軸心位置Ｏ１を中心とする円形状における接線Ｏ２の方向に対して平行な方向となるように形成される。
【００４９】
また、本実施形態の燃料噴射ノズル１においては、方向変換通路部２２は、燃料通路３を構成する燃料供給通路部２１と燃料溜り部８との間において、絞りを構成する。つまり、方向変換通路部２２は、燃料供給通路部２１および燃料溜り部８の通路面積に対して絞りとして機能するような孔径の流路を形成する。方向変換通路部２２は、燃料供給通路部２１と燃料溜り部８との間において、流路を絞り、燃料供給通路部２１から燃料溜り部８に流れ込む燃料の流量を制限する。
【００５０】
したがって、方向変換通路部２２において形成される流路は、燃料供給通路部２１において形成される流路に対して小径に形成される。また、方向変換通路部２２において形成される流路は、燃料溜り部８において形成される空間に対しても十分に小さい径で開口するように形成される。
【００５１】
また、燃料通路３を構成する燃料溜り部８は、ニードル５の外周面、詳細には縮径部１２の部分の外周面とともに、ニードル５の軸心回りに燃料を保持する空間１８を形成する。図１等に示すように、ノズル本体４に挿入された状態のニードル５は、燃料溜り部８の部分に、縮径部１２を位置させる。これにより、燃料溜り部８は、内周面９と、縮径部１２の外周面とによって、ニードル５の周りに、燃料が溜まる空間１８を形成する。
【００５２】
以上のような構成の燃料通路３による燃料の流れについて説明する。なお、ここで説明する燃料の流れは、噴孔２から燃料が噴射される際の燃料の流れ、つまり弁部７が開いている状態における燃料の流れである。
【００５３】
燃料噴射ノズル１に対して所定の経路で供給される燃料は、燃料通路３の入口部３ａから、燃料供給通路部２１内に流入する。燃料供給通路部２１内に流入した燃料は、燃料供給通路部２１により、ニードル５の軸方向に沿って下向きに導かれる（図２、矢印Ａ１参照）。
【００５４】
燃料供給通路部２１の下端部に達した燃料は、方向変換通路部２２に流入することで流れる方向が変換され、方向変換通路部２２によって燃料溜り部８に流れ込む。方向変換通路部２２を通過して燃料溜り部８に流れ込む燃料は、上述したように方向変換通路部２２が燃料溜り部８に対して接線方向に設けられることから、燃料溜り部８に対して接線方向に流れ込む（図５、矢印Ａ２参照）。
【００５５】
燃料溜り部８に対して接線方向に流れ込んだ燃料は、燃料溜り部８において、内周面９に沿って旋回流を生じさせる（図５、矢印Ａ３参照）。つまり、ここで燃料溜り部８内において生じる燃料の旋回流は、ニードル５の軸心回りの旋回流である。
【００５６】
また、方向変換通路部２２から燃料溜り部８に対して接線方向に燃料が流れ込むことにより、燃料通路３を流れる燃料についてキャビテーションが発生する。このキャビテーションの発生は、方向変換通路部２２が燃料通路３において絞りを構成することにより促される。つまり、絞りとして機能する方向変換通路部２２によって、燃料供給通路部２１から燃料溜り部８に流れ込む燃料の流量が制限されることに起因して、燃料通路３を流れる燃料についてキャビテーションが発生しやすくなる。
【００５７】
燃料溜り部８内において旋回流を形成する燃料は、弁部７の開弁状態において互いに離間している弁座１１とニードル５の着座部１３との間の狭い隙間を通って、先端通路部１０に流入し、噴孔２から噴出する。このようにして燃料噴射ノズル１から噴射された燃料は、燃焼室において着火することで火炎として広がり、燃焼する。
【００５８】
このように、燃料通路３により噴孔２に導かれる燃料の流れにおいては、噴孔２から噴出する燃料は、燃料が方向変換通路部２２から燃料溜り部８に流れ込むことによって生じる旋回流の流れに沿って、旋回しながら噴出する。つまり、燃料溜り部８内において生じた燃料の旋回流は、先端通路部１０および噴孔２の内部においても維持され、噴孔２から噴出する燃料を旋回流に沿ってねじれた状態で噴出させる。
【００５９】
以上のような構成を備える本実施形態の燃料噴射ノズル１においては、燃料通路３を構成する燃料供給通路部２１が、第１の通路部として機能し、同じく燃料通路３を構成する方向変換通路部２２が、第２の通路部として機能する。
【００６０】
すなわち、燃料供給通路部２１は、燃料通路３において燃料溜り部８よりも上流側に設けられ、ニードル５のノズル本体４に対する挿入方向側（下側）に向けて燃料を導く。また、方向変換通路部２２は、燃料溜り部８と燃料供給通路部２１との間に設けられ、ニードル５の軸方向に対して垂直な平面に沿う方向に形成され、燃料溜り部８に対して、ニードル５の径方向からずれた方向に連通する。
【００６１】
以上のような燃料噴射ノズル１によれば、簡単な構造により、低いコストで、ノズル本体４の内部で旋回流を生じさせることができ、噴射燃料の微粒化を促進することができ、燃料の燃焼性および排気特性の改善に貢献することができる。
【００６２】
具体的には、本実施形態の燃料噴射ノズル１は、噴孔２に対する燃料の供給経路において、燃料をニードル５の軸方向に導く燃料供給通路部２１に加え、燃料供給通路部２１から燃料溜り部８に対して接線方向に連通する方向変換通路部２２を有する。これにより、燃料噴射ノズル１は、ノズル本体４の内部となる燃料溜り部８において、旋回流を発生させる。このため、本実施形態の燃料噴射ノズル１によれば、例えばニードル５の外周面形状を工夫すること等によってニードル５の形状の複雑化を招くことなく、簡単な構造および低コストを容易に実現することができるとともに、ノズル本体４の内部で旋回流を効果的に発生させることができる。
【００６３】
さらに、本実施形態の燃料噴射ノズル１によれば、噴射した燃料が燃焼した後の燃料の液だれ（後だれ）が防止されるという効果も得られる。このことは、ノズル本体４の内部で生じる旋回流によって、噴孔２における液切れが良くなることに基づくと考えられる。
【００６４】
また、本実施形態の燃料噴射ノズル１では、燃料溜り部８において旋回流を生じさせる方向変換通路部２２が、燃料通路３において絞りを構成する。これにより、ノズル本体４の内部において、燃料通路３を流れる燃料について、積極的にキャビテーションを発生させることができる。
【００６５】
この点、従来からの研究により、キャビテーションの発生のメカニズムの詳細は未だ明らかにされていないものの、ノズル本体の内部で発生するキャビテーションが噴射燃料の微粒化に寄与するという報告がなされている。つまり、ノズル本体の内部でキャビテーションが発生することにより、噴射燃料の微粒化が促進されることがわかっている。
【００６６】
したがって、本実施形態の燃料噴射ノズル１によれば、燃料通路３の流路構成によって、燃料通路３を流れる燃料についてのキャビテーションの発生が促され、噴射燃料の微粒化が効果的に促進される。結果として、本実施形態の燃料噴射ノズル１によれば、燃料の燃焼性および排気特性が改善される。
【００６７】
本実施形態の燃料噴射ノズル１では、燃料通路３を構成する方向変換通路部２２が、燃料溜り部８に対して接線方向に連通しているが、これに限定されない。つまり、本実施形態では、方向変換通路部２２の燃料溜り部８に対する連通方向に関し、ニードル５の径方向からずれた方向として、燃料溜り部８に対する接線方向が採用されているが、これに限定されない。
【００６８】
したがって、方向変換通路部２２の燃料溜り部８に対する連通方向について、ニードル５の径方向からずれた方向は、上述したような効果を得る観点から、燃料溜り部８に対する接線方向を、ニードル５の径方向からのずれ量が最大となる方向として、燃料溜り部８内において旋回流が生じる程度にニードル５の径方向からずれた方向であればよい。
【００６９】
また、ノズル本体４において方向変換通路部２２が形成される方向に関し、ニードル５の軸方向に対して垂直な平面に沿う方向とは、ニードル５の軸方向に対して厳密に垂直な平面に沿う方向に限定されず、ニードル５の軸方向に対して略垂直な平面に沿う方向も含む趣旨である。
【００７０】
方向変換通路部２２が形成される方向としては、下流側の端部が燃料溜り部８の位置に達する燃料供給通路部２１によってニードル５の軸方向に沿って送られてきた燃料が、燃料供給通路部２１よりも内側（ニードル５の軸心位置側）に位置する燃料溜り部８に導かれるように方向転換される程度に、ニードル５の軸方向に対して略垂直な平面に沿う方向であればよい。
【００７１】
また、本実施形態の燃料噴射ノズル１では、燃料通路３を構成する燃料供給通路部２１が、ニードル５の軸方向に沿って、つまりニードル５の挿入孔と平行に形成されているが、これに限定されない。燃料供給通路部２１は、ニードル５の軸方向に平行である必要はなく、ニードル５のノズル本体４に対する挿入方向側（下側）に向けて燃料を導く構成であればよい。
【００７２】
したがって、燃料供給通路部２１の方向としては、ニードル５の軸方向に対して斜め方向であってもよい。ここで、燃料供給通路部２１の下流側の端部の位置が、ニードル５の軸方向視で、燃料溜り部８に対して隔てる間隔が大きいほど、方向変換通路部２２の流路長さを確保することが容易となる。
【００７３】
また、本実施形態の燃料噴射ノズル１では、燃料供給通路部２１および方向変換通路部２２は、いずれも直線状に形成されているが、各通路部の形状は特に限定されない。燃料供給通路部２１および方向変換通路部２２については、例えば、両通路部の連結部分が曲線状に形成されたり、各通路部が全体としてあるいは部分的に曲線状に形成されたりしてもよい。
【００７４】
さらに、本実施形態の燃料噴射ノズル１では、燃料通路３を構成する燃料供給通路部２１および方向変換通路部２２が１組設けられているが、複数組の燃料供給通路部２１および方向変換通路部２２が、燃料溜り部８に連通する構成であってもよい。この場合、複数の方向変換通路部２２は、燃料溜り部８に対して、各方向変換通路部２２によって燃料溜り部８内で生じる旋回流が互いに相殺されることのないように設けられる。
【００７５】
例えば、２組の燃料供給通路部２１および方向変換通路部２２が設けられ、各方向変換通路部２２が燃料溜り部８に対して接線方向に連通する場合、２つの方向変換通路部２２は、ニードル５の軸方向視で、ニードル５の軸心位置Ｏ１（図５参照）を中心として点対称に設けられる。このように、燃料溜り部８に対して、複数組の燃料供給通路部２１および方向変換通路部２２が連通する構成が採用されることにより、燃料溜り部８内において、旋回流をより効果的に発生させることができる。
【００７６】
また、燃料溜り部８において、ニードル５の軸方向視で円形状となる内周面部２３について、円形状とは、真円形状に限定されるものではなく、一部に円弧状となる部分を含む略円形状も含む趣旨である。すなわち、内周面部２３についてのニードル５の軸方向視での円形状とは、方向変換通路部２２が燃料溜り部８に対して接線方向に連通する場合に、その接線方向を規定するための形状であるため、内周面部２３についての円形状は、接線方向を規定することができるように、円弧状となる部分を有する略円形状であればよい。
【００７７】
また、燃料溜り部８により形成される空間１８ついては、本実施形態の燃料噴射ノズル１のように、ニードル５の軸方向に沿って、下流側に向けて縮径する先細り形状を有することが好ましい。具体的には、図１等に示すように、燃料溜り部８において内周面９により形成される空間１８は、案内面６により形成されるニードル５の挿入孔に対する拡径部分となる上側から、先端通路部１０が開口する下側（下流側）にかけて、徐々に縮径する略円錐形状を有する。
【００７８】
このように、燃料溜り部８により形成される空間１８が、燃料の噴射側に向けて先細り形状を有することにより、燃料溜り部８から先端通路部１０に向かう燃料の流れにおいて渦流が生じやすくなる。これにより、燃料溜り部８内において生じた旋回流の勢いを維持または増幅させることができ、より効果的に旋回流による微粒化を促進することができる。
【００７９】
また、本実施形態の燃料噴射ノズル１は、燃料を噴出させる噴孔２を１個有するが、噴孔２を複数個有してもよい。燃料噴射ノズル１が複数の噴孔２を有する場合、例えば、図６に示すように、複数の噴孔２は、ニードル５の軸心の位置を中心として、下側に向けて放射状に燃料を噴出するように形成される。
【００８０】
さらに、例えば、図７に示すように、複数の噴孔２は、ニードル５の軸方向視で、円形状となる先端通路部１０に対して接線方向に沿って形成されてもよい。図７は、８個の噴孔２が、ニードル５の軸方向視で、先端通路部１０の円周方向に等間隔に、先端通路部１０に対して接線方向に沿って形成された場合の例を示している。
【００８１】
以下では、本発明の実施例について説明する。本実施例では、上述した実施形態の燃料噴射ノズル１を適用した燃料噴射ノズル（以下「実施例品」という。）と、実施例品の比較対象としての従来技術を適用した燃料噴射ノズル（以下「比較例品」という。）とについて、燃料の燃焼、および噴射される燃料についての解析を行ったものである。また、本実施例では、噴射する燃料として、主にディーゼルエンジンの燃料として使用される軽油を用いた。
【００８２】
本実施例の説明に際し、比較例品としての燃料噴射ノズル３１について、図８を用いて説明する。なお、比較例品としての燃料噴射ノズル３１の説明においては、便宜上、上述した実施形態の燃料噴射ノズル１と共通する部分については、同一の符号を用いて説明を省略する。
【００８３】
図８に示すように、比較例品としての燃料噴射ノズル３１は、燃料を入口部３ａから燃料溜り部８まで導くための燃料の通路として、直線通路部４１を有する。直線通路部４１は、入口部３ａから、燃料溜り部８の周縁部に対して、直線状の孔を形成する部分である。
【００８４】
直線通路部４１は、ニードル５の軸心線を通る断面に沿って、入口部３ａから、噴孔２側にかけて、ニードル５の軸心位置に近付くように、ニードル５の軸方向に対して斜め方向に形成される。このように、比較例品としての燃料噴射ノズル３１は、上述した実施形態の燃料噴射ノズル１との比較において、燃料供給通路部２１および方向変換通路部２２の代わりに、入口部３ａから燃料溜り部８に対して直接的に燃料を導く１本の直線状の通路である直線通路部４１を有する点で、燃料噴射ノズル１と異なる。
【００８５】
続いて、本実施例で用いた解析装置の構成について、図９を用いて説明する。図９に示すように、本実施例に用いた解析装置５１は、燃焼室５２と、予備燃焼調整部５３と、燃料供給部５４と、フォトセンサ５５と、カメラ５６と、制御部５７とを備える。
【００８６】
燃焼室５２は、燃料を燃焼させるための燃焼空間６０を形成する。本実施例では、燃焼空間６０は、直径１００ｍｍ、高さ３３０ｍｍの略円筒形状の空間として形成される。燃焼室５２は、金属製の容器として構成される。
【００８７】
燃焼室５２には、観察窓６１が設けられている。観察窓６１は、燃焼室５２の内部での燃料の燃焼の様子を燃焼室５２の外部から観察するための窓である。観察窓６１は、燃焼室５２において燃焼空間６０を形成する周壁部分に設けられる。観察窓６１は、燃焼室５２の外部から石英ガラス６２を介して燃焼室５２の内部が見えるように構成される。石英ガラス６２は、燃焼空間６０を形成する周壁部分に装着される。観察窓６１は、高さ２８０ｍｍ、幅５０ｍｍの略楕円形状を有する（図１４参照）。
【００８８】
燃焼室５２には、燃焼室５２内に燃料を噴射するための燃料噴射ノズルが設けられる。つまり、実施例品についての解析を行う場合は、上述した実施形態の燃料噴射ノズル１が燃焼室５２に設けられ、比較例品についての解析を行う場合は、比較例品としての燃料噴射ノズル３１が燃焼室５２に設けられる。解析装置５１の説明では、実施例品としての燃料噴射ノズル１が設けられた場合を例に説明する。
【００８９】
燃料噴射ノズル１は、噴孔２側が下を向く姿勢で燃焼室５２の上部に設けられる。このように、本実施例では、燃焼室５２において、燃料噴射ノズル１から噴射された燃料を燃焼させる。
【００９０】
また、燃焼室５２には、点火プラグ６４が設けられている。点火プラグ６４は、燃焼室５２において燃焼空間６０を形成する周壁部分に装着され、図示せぬイグナイタに接続される。点火プラグ６４は、後述するように予備燃焼調整部５３から燃焼室５２に供給される混合ガスに点火するためのものである。点火プラグ６４の動作は、制御部５７により制御される。
【００９１】
また、燃焼室５２には、燃焼室５２内の燃焼ガスを排気するための排気管６５が接続されている。排気管６５には、排気制御弁６６が設けられている。排気制御弁６６は、燃焼室５２内からの燃焼ガスの排気が行われる排気状態と、燃焼室５２内からの燃焼ガスの排気が止められる非排気状態とを切り換えるための弁である。排気制御弁６６は、排気管６５の燃焼室５２に対する接続部分の近傍に設けられる。
【００９２】
排気管６５は、排気制御弁６６の下流側の部分において、燃焼室５２内の高圧状態を利用した自然排気を行うための自然排気管６５ａと、真空ポンプ６７による強制的な排気を行うための強制排気管６５ｂとに分岐している。排気管６５は、真空ポンプ６７による燃焼室５２内の燃焼ガスの強制的な排気により、燃焼室５２内に燃焼の残渣ができるだけ残留しないように、燃焼室５２内の排気を行う。
【００９３】
排気管６５を構成する自然排気管６５ａおよび強制排気管６５ｂには、切換用の開閉弁６８ａ，６８ｂが設けられている。これらの開閉弁６８ａ，６８ｂの開閉制御により、燃焼室５２内の燃焼ガスの効率良く速やかな排気が行われる。排気管６５に設けられる排気制御弁６６、および開閉弁６８ａ，６８ｂの動作は、制御部５７により制御される。また、燃焼室５２には、燃焼室５２内の気圧の変化等が生じる状況下において安全を確保するための安全弁６９が設けられている。
【００９４】
また、燃焼室５２には、燃焼室５２内の初期温度を計測するための燃焼室用温度計７１と、燃焼室５２内の圧力を計測するための燃焼室用圧力計７２とが設けられている。燃焼室用温度計７１は、熱電対であり、燃焼室用圧力計７２は、圧力変換素子である。
【００９５】
予備燃焼調整部５３は、燃焼室５２内の温度、圧力、およびガス成分を含む雰囲気状態を調整するための構成である。つまり、予備燃焼調整部５３は、燃焼室５２内で燃焼を生じさせることにより、燃焼室５２内の雰囲気状態をあらかじめ所定の状態に調整する。
【００９６】
予備燃焼調整部５３は、調整ガスタンク８１とエチレンガスタンク８２とを有する。調整ガスタンク８１は、窒素を配合した酸素からなる調整ガスを貯溜し、調整ガス供給管８３を介して燃焼室５２に接続される。エチレンガスタンク８２は、燃料ガスとしてのエチレンガスを貯溜し、エチレンガス供給管８４を介して燃焼室５２に接続される。
【００９７】
つまり、予備燃焼調整部５３は、調整ガス供給管８３を介して調整ガスタンク８１内の調整ガスを燃焼室５２内に送給するとともに、エチレンガス供給管８４を介してエチレンガスタンク８２内のエチレンガスを燃焼室５２内に送給する。本実施例では、調整ガス供給管８３とエチレンガス供給管８４とは、途中で合流した状態で燃焼室５２に接続される。
【００９８】
調整ガス供給管８３およびエチレンガス供給管８４には、それぞれマスフローコントローラ８５と制御バルブ８６とが設けられている。調整ガス供給管８３に設けられるマスフローコントローラ８５および制御バルブ８６により、調整ガスタンク８１から燃焼室５２に送給される調整ガスの流量が調整される。エチレンガス供給管８４に設けられるマスフローコントローラ８５および制御バルブ８６により、エチレンガスタンク８２から燃焼室５２に送給されるエチレンガスの流量が調整される。
【００９９】
このように、予備燃焼調整部５３により、流量が調整された調整ガスおよびエチレンガスが燃焼室５２内に送り込まれることにより、燃焼室５２内において、酸素（Ｏ２）と窒素（Ｎ２）とエチレン（Ｃ２Ｈ４）とが所定の割合で混合された予混合ガスが生成される。本実施例では、調整ガスタンク８１内に貯溜される調整ガスとして、酸素３４％、窒素６６％の成分比のものを用いた。
【０１００】
燃料供給部５４は、解析装置５１による解析対象の燃料を燃焼室５２内に供給するための構成である。燃料供給部５４は、燃料タンク９１を有する。燃料タンク９１は、解析対象の燃料を貯溜し、燃料供給管９２を介して燃料噴射ノズル１に接続される。つまり、燃料供給部５４は、燃料供給管９２を介して燃料タンク９１内の燃料を燃料噴射ノズル１に供給する。
【０１０１】
燃料供給部５４は、燃料噴射ノズル１に対して燃料を所定の圧力に加圧して供給するための構成として、コンプレッサ９３と燃料ポンプ９４とを有する。コンプレッサ９３は、燃料タンク９１に接続され、燃料タンク９１内を加圧する。燃料ポンプ９４は、燃料供給管９２に設けられ、燃料タンク９１から燃料供給管９２に送り込まれた燃料を、燃料噴射ノズル１に対して圧送する。
【０１０２】
燃料ポンプ９４は、作動油によって動作するピストン９４ａを有し、作動油の供給を受けることで作動する。燃料ポンプ９４に対する作動油の供給は、オイルポンプ９５およびアキュムレータ９６を含む構成により行われる。オイルポンプ９５およびアキュムレータ９６は、電磁弁９７を介して燃料ポンプ９４に接続される。
【０１０３】
燃料供給部５４においては、コンプレッサ９３により加圧された燃料が、アキュムレータ９６により加圧された作動油を受けて押されるピストン９４ａによってさらに加圧され、燃料噴射ノズル１に供給される。なお、電磁弁９７の動作は、制御部５７により制御される。以上のような構成を有する燃料供給部５４により、燃料噴射ノズル１からの燃焼空間６０に対する安定的な燃料噴射が行われる。
【０１０４】
また、燃料供給管９２と燃料噴射ノズル１との接続部分には、燃料供給部５４から燃料噴射ノズル１に供給された燃料のうち余分な燃料を排出するためのドレン管９８が接続されている。ドレン管９８によって排出された燃料は、ドレンタンク９９に貯溜される。ドレン管９８には、開閉弁１００が設けられている。
【０１０５】
また、解析装置５１においては、燃料噴射ノズル１から噴射される燃料の温度を計測するための燃料用温度計１０１と、燃料噴射ノズル１から噴射される燃料の圧力を計測するための燃料用圧力計１０２とが設けられている。燃料用温度計１０１は、熱電対であり、燃料供給管９２に設けられる。燃料用圧力計１０２は、圧力変換素子であり、燃料噴射ノズル１に接続される。
【０１０６】
フォトセンサ５５は、燃焼室５２内における燃料の燃焼にともなう火炎の光を受光して、その光を検出するためのものである。本実施例では、フォトセンサ５５は、上下方向に所定の間隔を隔てて三箇所に配置されている。図９では説明の便宜上、フォトセンサ５５が観察窓６１から燃焼室５２内に臨むように示されているが、本実施例では、フォトセンサ５５は、燃焼室５２において燃焼空間６０を形成する周壁部分に埋め込まれた態様で設けられる。
【０１０７】
フォトセンサ５５による検出信号は、制御部５７に入力される。フォトセンサ５５が用いられることで、燃料の燃焼状態を観察するに際して時間分解能を極めて容易に向上させることができ、燃料の燃焼状態について精度良く確実な計測を行うことができる。
【０１０８】
カメラ５６は、高速度ビデオカメラであり、燃焼室５２内における燃料の燃焼状態についての画像データを取得するためのものである。カメラ５６は、燃焼室５２の観察窓６１に対峙するように配置され、観察窓６１を介して燃焼室５２内における燃料の燃焼にともなう火炎の挙動を含む燃焼の様子を高い撮影速度で撮影する。
【０１０９】
カメラ５６により取得された画像データは、制御部５７に入力される。本実施例では、カメラ５６は、０．５ｍｓ（ミリ秒）の時間間隔で画像データを取得する。つまり、カメラ５６は、０．５ｍｓごとに燃焼室５２内の様子を撮像する。
【０１１０】
制御部５７は、所定のプログラムに基づいて解析装置５１の各部を制御する。制御部５７は、プログラム等を格納する格納部、プログラム等に従って所定の演算を行う演算部、演算部による演算結果等を保管する保管部等を有する。制御部５７は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）やＲＯＭ（Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）やＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）等がバス等で接続された構成を有するコンピュータである。
【０１１１】
制御部５７は、予備燃焼調整部５３および燃料供給部５４を制御することで、燃焼室５２で燃料を燃焼させる。制御部５７は、燃焼室５２での燃料の燃焼についてフォトセンサ５５およびカメラ５６によって得られるデータに基づいて、所定の解析処理を実行する。
【０１１２】
制御部５７は、燃焼室５２で燃料を燃焼させるために、まず、燃焼室５２内において予混合ガスを燃焼させることにより、燃焼室５２内を所定の圧力・温度の疑似空気が充満した状態とする。制御部５７は、予備燃焼調整部５３および点火プラグ６４を制御することにより、燃焼室５２内で予混合ガスを燃焼させる。
【０１１３】
具体的には、制御部５７は、予備燃焼調整部５３におけるマスフローコントローラ８５および制御バルブ８６を制御することで、燃焼室５２に調整ガスおよびエチレンガスを所定量ずつ送給し、燃焼室５２内に、酸素（Ｏ２）と窒素（Ｎ２）とエチレン（Ｃ２Ｈ４）とが所定の割合で混合された予混合ガスを生成する。
【０１１４】
制御部５７は、燃焼室５２内に予混合ガスが充填された時点で、予備燃焼調整部５３から燃焼室５２への調整ガスおよびエチレンガスの供給を停止する。制御部５７は、燃焼室５２へのガスの供給を停止してから、点火プラグ６４に接続されるイグナイタに信号を送信することで点火プラグ６４を作動させ、燃焼室５２内に充填している予混合ガスを燃焼させる。
【０１１５】
燃焼室５２内で予混合ガスが燃焼することで、燃焼室５２内の圧力が増大する。予混合ガスが燃焼することで、燃焼室５２内に疑似空気が生成される。本実施例では、燃焼室５２内で生成される疑似空気において酸素が２１％存在するように、予混合ガスの圧力や成分比等を調整した。ここで、燃焼室５２内に生成される疑似空気中の酸素量（酸素濃度）は、予備燃焼調整部５３から燃焼室５２に供給される調整ガス中の酸素の配合量や、燃焼室５２に供給される調整ガスとエチレンガスとの混合比等により調整される。
【０１１６】
予混合ガスの燃焼によって上昇した燃焼室５２内の圧力は、熱損失によって徐々に低下する。この燃焼室５２内の圧力が低下する過程において、所定のタイミングで燃料噴射ノズル１から燃料が噴射されることにより、燃料の燃焼が行われる。つまり、制御部５７は、予備燃焼調整部５３および点火プラグ６４を制御することで燃焼室５２内を疑似空気で充満させた状態から、燃料供給部５４を制御することにより、所定のタイミングで燃料噴射ノズル１から燃料を噴射させ、燃焼室５２において燃料の燃焼を生じさせる。
【０１１７】
具体的には、制御部５７は、予混合ガスの燃焼によって上昇した燃焼室５２内の圧力が低下する過程において、燃焼室５２内の圧力が所定の設定圧力に達した時点で、電磁弁９７を切換制御することにより燃料ポンプ９４を作動させることで、燃料噴射ノズル１から燃焼室５２内に燃料を噴射させる。
【０１１８】
本実施例では、制御部５７の制御による燃料噴射ノズル１からの燃料の噴射を、燃焼室５２内の圧力が１．９ＭＰａ（メガパスカル）に達した時点で実行した。そして、燃焼室５２内の雰囲気状態について、燃焼室５２内の圧力が１．９ＭＰａの状態で、燃焼室５２内の温度が６８４Ｋとなるような調整を行った。
【０１１９】
また、本実施例では、他の場合として、制御部５７の制御による燃料噴射ノズル１からの燃料の噴射を、燃焼室５２内の圧力が１．８ＭＰａに達した時点で実行した。そして、燃焼室５２内の雰囲気状態について、燃焼室５２内の圧力が１．８ＭＰａの状態で、燃焼室５２内の温度が６４８Ｋとなるような調整を行った。
【０１２０】
以下では、燃焼室５２内の雰囲気圧力（Ｐａ）が１．９ＭＰａ、雰囲気温度（Ｔａ）が６８４Ｋの雰囲気状態を「第１温度状態」と称し、燃焼室５２内の雰囲気圧力が１．８ＭＰａ、雰囲気温度が６４８Ｋの雰囲気状態を「第２温度状態」と称する。
【０１２１】
燃料噴射ノズル１から燃焼室５２内に噴射された燃料は、燃焼室５２内の雰囲気状態によって自己着火し、燃焼を開始する。言い換えると、燃焼室５２内への燃料の噴射は、燃焼室５２内の圧力が低下する過程において、燃焼室５２内の圧力や温度等の雰囲気状態が、噴射された燃料の自然的な着火を生じさせる状態となった時点で行われる。燃焼室５２内で燃料噴射ノズル１から噴射された燃料が燃焼することで、燃焼室５２内の圧力が、徐々に低下する過程において一時的に上昇する。
【０１２２】
このように燃焼室５２内において燃焼する燃料は、燃料供給部５４により安定的に供給される。燃料噴射ノズル１から燃焼室５２内に噴射される燃料の圧力（以下「燃料噴射圧力」という。）は、前述したように燃料用圧力計１０２によって計測される。燃焼室５２内への燃料の噴射は、約３０ｍｓの間行われる。
【０１２３】
制御部５７は、燃焼室５２内における燃料の燃焼が終了した後、燃焼室５２内の燃焼ガスの排気を行う。制御部５７は、燃焼室５２内の燃焼ガスの排気として、排気制御弁６６および自然排気管６５ａの開閉弁６８ａを開弁することによる排気、ならびに排気制御弁６６および強制排気管６５ｂの開閉弁６８ｂを開弁するとともに真空ポンプ６７を作動させることによる強制排気を行う。
【０１２４】
以上のような構成の解析装置５１を用いて、本発明の実施例として、燃料の燃焼、および噴射される燃料についての解析を行った。
【０１２５】
図１０および図１１は、それぞれカメラ５６により取得される、燃焼室５２内における燃料の着火時を含む合計４１枚の（２０ｍｓの間の）連続的な撮像画像（画像データ）を示す。つまり、図１０および図１１の各図は、燃料噴射開始後の燃焼の様子を示す。図１０および図１１の各図において、長方形で区切られる各部分が１枚の撮像画像（画像データ）であり、各撮像画像における白い部分が火炎の部分を表し、黒い部分が背景を表す。また、図１０および図１１の各図の画像データは、燃料の噴射タイミングを基準として時間軸を共通にする。
【０１２６】
図１０（ａ）は、燃料噴射時の雰囲気条件を第１温度状態（Ｐａ＝１．９ＭＰａ、Ｔａ＝６８４Ｋ）とし、解析装置５１において実施例品を用いた場合の燃焼の様子を示す。図１０（ｂ）は、同じく雰囲気条件を第１温度状態とし、解析装置５１において比較例品を用いた場合の燃焼の様子を示す。
【０１２７】
図１１（ａ）は、燃料噴射時の雰囲気条件を第２温度状態（Ｐａ＝１．８ＭＰａ、Ｔａ＝６４８Ｋ）とし、解析装置５１において実施例品を用いた場合の燃焼の様子を示す。図１１（ｂ）は、同じく雰囲気条件を第２温度状態とし、解析装置５１において比較例品を用いた場合の燃焼の様子を示す。
【０１２８】
図１０（ａ）、（ｂ）、図１１（ａ）、（ｂ）の各図において、上段のデータは、燃料噴射圧力（Ｐｉｎｊ）が３２ＭＰａの場合を示し、中段のデータは、燃料噴射圧力が４０ＭＰａの場合を示し、下段のデータは、燃料噴射圧力が８０ＭＰａの場合を示す。また、図１０および図１１に示すいずれの場合についても、雰囲気条件としての酸素濃度を２１％とした。
【０１２９】
図１０（ａ）、（ｂ）の比較からわかるように、実施例品と比較例品とでは、着火遅れはほぼ同程度であった。ここで、着火遅れとは、燃料噴射ノズルによる燃料の噴射から着火までの時間、つまり燃料噴射ノズルにより燃料の噴射が開始された時点から、燃料噴射ノズルから噴射された燃料が着火した時点までの時間である。
【０１３０】
また、図１０（ａ）、（ｂ）の比較から、燃料の着火後の燃焼に関しては、実施例品の方が、比較例品よりも、火炎が太っている様子がわかる。つまり、実施例品の方が、着火後の燃焼による火炎の横方向の広がりの程度が大きい。
【０１３１】
実施例品の方が比較例品よりも火炎が太くなることは、実施例品の方が比較例品よりも、噴霧する燃料の噴射角度が広がった状態で燃料が燃焼し、燃料の濃い部分の少ない燃焼になっていることに起因すると推測される。
【０１３２】
また、図１０（ａ）、（ｂ）それぞれの上段、中段、下段の各データの比較から、燃料噴射圧力が変化することによっても、実施例品の方が比較例品よりも火炎が太くなることがわかる。つまり、燃料噴射圧力に特に影響されることなく、実施例品による火炎の広がり効果を得ることができる。
【０１３３】
図１１（ａ）、（ｂ）からわかるように、第２温度状態においても、燃料の燃焼の様子は、図１０に示す第１温度状態の場合と同様の傾向を示す。すなわち、第２温度状態においても、燃料噴射圧力に特に影響されることなく、実施例品の方が比較例品よりも火炎が太くなる。そして、図１０と図１１の比較から、雰囲気条件に特に影響されることなく（特に、雰囲気温度が低い状態でも）、実施例品による火炎の広がり効果を得ることができるがわかる。
【０１３４】
このように、実施例品によれば、従来技術を適用した比較例品との比較において、火炎の広がりが大きくなる。火炎の広がりが大きいということは、それだけ燃料が微粒化しているということを示す。本実施例により、実施例品を用いることで、ノズル本体の内部で発生する旋回流によって噴射燃料の微粒化が促進されることが実証された。
【０１３５】
また、本実施例では、燃料の燃焼に関し、燃料噴射ノズルの弁部７が閉じてからの後燃えの様子を観察した。図１２は、カメラ５６により取得される、燃焼室５２内における燃料噴射終了後の燃焼（後燃え）の様子を表す合計２１枚の（１０ｍｓ間の）連続的な撮像画像（画像データ）を示す。
【０１３６】
図１２において、長方形で区切られる各部分が１枚の撮像画像（画像データ）である。１コマは０．５ｍｓである。図１２（ａ）は、実施例品についてのデータであり、同図（ｂ）は、比較例品についてのデータである。また、図１２（ａ）、（ｂ）の各図の画像データは、燃料の噴射タイミングを基準として時間軸を共通にする。図１２に示すデータを取得した際の雰囲気条件は、Ｐａ＝１．９ＭＰａ、Ｔａ＝６８４Ｋ（第１温度状態）であり、燃料噴射圧力（Ｐｉｎｊ）は、Ｐｉｎｊ＝３２ＭＰａである。
【０１３７】
図１２（ｂ）に示すように、比較例品の場合には、燃料の噴射終了後に燃料の後だれがあり、その後だれの燃料が燃焼している様子が見られる（破線楕円部分参照）。この点、図１２（ａ）に示すように、実施例品の場合には、燃料の噴射終了後の後だれがほとんどない。
【０１３８】
このことから、実施例品は、燃料の噴射終了後の燃料の噴霧の切れがよいことがわかる。雰囲気条件および燃料噴射圧力等について他の条件でも同様の観察を行ったが、いずれも本実施例と同様の傾向にあり、実施例品の場合、後だれは、あってもわずかであり、ほとんど見受けられなかった。
【０１３９】
本実施例により、実施例品を用いることで、従来技術を適用した比較例品の場合に生じていた燃料の後だれが抑制されることが実証された。このように燃料の後だれを抑制できる実施例品によれば、ノズルから噴射される燃料をきれいに燃焼させることができるので、実機において、燃費改善、燃焼室の清浄性の向上、エンジンのシリンダのライナー表面の腐食環境改善など、得られるメリットは大きい。
【０１４０】
次に、実施例品および比較例品の燃料の流量についての考察を加える。実施例品については、燃料通路３において方向変換通路部２２が絞りとして構成されることから、比較例品に対して燃料の流量が減少することが懸念される。そこで、本実施例では、燃料の燃焼にともなう雰囲気圧力の変化を測定した。
【０１４１】
図１３に、実施例品と比較例品についての燃料の燃焼にともなう雰囲気圧力の時間変化を示す。図１３に示すグラフにおいて、横軸は時間（ｍｓ）を示し、縦軸は雰囲気圧力（ＭＰａ）を示し、実線が実施例品についてのグラフであり、一点鎖線が比較例品についてのグラフである。図１３に示す測定結果は、Ｐａ＝１．９ＭＰａ、Ｔａ＝６８４Ｋ、Ｐｉｎｊ＝８０ＭＰａの雰囲気条件のもとで得られたものである。
【０１４２】
図１３に示す測定結果から、燃料が燃焼する過程での雰囲気圧力は、実施例品および比較例品で同じように上昇していることがわかる。このことは、実施例品と比較例品とで、単位時間当たりに噴射される燃料の量にはほとんど差がないことを示す。ここで、解析装置５１の燃焼室５２が定容容器であることから、図１３のグラフにおいて縦軸で示す雰囲気圧力の値は、単位時間あたりの熱発生量に対応する。つまり、雰囲気圧力の値が大きくなるほど、単位時間あたりの熱発生量も大きくなる。
【０１４３】
このように、図１３実施例品と比較例品とで、雰囲気圧力の上昇の様子が同じであるということから、実施例品の燃料通路３において方向変換通路部２２が絞りとして構成されることは、燃料の流量に特に影響しないことがわかる。なお、図１３において、２５ｍｓ辺り以降の熱発生終了時で実施例品の方が比較例品よりも雰囲気圧力の値が低いのは、本測定例では実施例品の方が噴射期間がわずかに短かったことに起因するものであり、単位時間あたりの熱発生量は、実施例品と比較例品とでほぼ同じであると考えられる。
【０１４４】
また、実施例品と比較例品とで単位時間あたりの燃料の噴射量が同程度であるということは、上述したように実施例品を用いることで火炎の広がりが大きくなることから、実施例品から噴射された燃料の方がより効率的に燃焼しているといえる。
【０１４５】
続いて、本実施例として、燃料噴射ノズルの近傍の燃料の噴霧の様子を撮影した。ここでは、上述した解析装置５１において、カメラ５６として、毎秒１００万コマの画像データを取得する高速度カメラを用いて、燃料の噴霧の様子を撮影した。
【０１４６】
噴霧火炎の場合、燃料の流速が速いため、燃料噴射ノズルの近傍は火炎がなく、噴霧状態となっている。このため、本実施例では、図１４に示すように、燃料噴射ノズル１（３１）の噴孔２の直下における燃料の噴霧の様子を撮影した。
【０１４７】
具体的には、図１４に示すように、縦５ｍｍ、横６ｍｍの長方形状の範囲を撮影範囲（撮影フレーム）とし、燃料噴射ノズル１（３１）の先端の位置を基準とする下向きの上下方向（Ｚ方向）の位置について、撮影フレームの縦の長さ（５ｍｍ）ごとに撮影を行った。なお、本実施例では、燃料噴射圧力を３２ＭＰａ（Ｐｉｎｊ＝３２ＭＰａ）とした。
【０１４８】
図１５に、実施例品と比較例品の、Ｚ＝１５ｍｍの位置（図１４、「撮影フレームＦ１」参照）と、Ｚ＝２０ｍｍの位置（（図１４、「撮影フレームＦ２」参照）での撮影結果（１コマの画像データ）を示す。なお、各撮影写真において、黒い部分が噴霧燃料を表し、白い部分が背景を表す。
【０１４９】
図１５に示す撮影結果について考察する。燃料噴射ノズルから噴射された燃料の噴霧形状は時間とともに変化するが、図１５に示す各撮影写真は、標準的な噴霧状態を表している。実施例品と比較例品の噴霧形状を比較した場合、実施例品の方が、噴霧形状が膨れていることがわかる。この現象は、実施例品の方が、比較例品と比べて、噴孔２から噴射された液体燃料がより微粒化されて広がっているためであると考えられる。
【０１５０】
このように、燃料噴射ノズルの近傍の燃料の噴霧の様子からも、実施例品を用いることで、ノズル本体の内部で発生する旋回流によって噴射燃料の微粒化が促進されることが実証された。
【０１５１】
本発明は、ディーゼル燃料（バンカー油）やガソリンを含む石油系燃料のほか、バイオディーゼル燃料、アルコール系燃料、その他の合成燃料等の液体燃料の噴射に広く適用可能である。したがって、本発明に係る燃料噴射ノズルは、例えば舶用や自動車用のディーゼルエンジンやガソリンエンジン等において、直噴式、副室式等、燃料噴射方式にかかわらず広く適用可能である。本発明は、船舶工学の分野や機械工学の分野、さらには食品加工の分野や塗装の分野等、燃料の噴射が行われる技術分野において広く展開される。
【符号の説明】
【０１５２】
１    燃料噴射ノズル
２    噴孔
３    燃料通路
４    ノズル本体
５    ニードル
６    案内面
７    弁部
８    燃料溜り部
９    内周面
１２  縮径部
１８  空間
２１  燃料供給通路部（第１の通路部）
２２  方向変換通路部（第２の通路部）
２３  内周面部
【図１】
2012154309.tif 000003
【図２】
2012154309.tif 000004
【図３】
2012154309.tif 000005
【図４】
2012154309.tif 000006
【図５】
2012154309.tif 000007
【図６】
2012154309.tif 000008
【図７】
2012154309.tif 000009
【図８】
2012154309.tif 000010
【図９】
2012154309.tif 000011
【図１３】
2012154309.tif 000012
【図１４】
2012154309.tif 000013
【図１０】
2012154309.tif 000014
【図１１】
2012154309.tif 000015
【図１２】
2012154309.tif 000016
【図１５】
2012154309.tif 000017