(57)【要約】【課題】燃料噴射初期の段階において良好な燃料の微粒化を得ることを課題とする。【解決手段】燃料噴射弁１０は、ニードル１と、内部にニードル１が摺動自在に配置されたノズルボディ２と、ノズルボディ２内の燃料流れの上流側でニードル１がノズルボディ２と接触する上流側シート部３と、ノズルボディ２内の燃料流れの下流側でニードル１がノズルボディ２と接触する下流側シート部４と、上流側シート部３と下流側シート部４との間に形成されたシート凹部６を備える。シート凹部６は、ニードル１が上流側シート部３及び下流側シート部４に着座したときに、上流側シート部３と下流側シート部４とによってシールされ、キャビテーション気泡を含んだ燃料が保持される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ニードルと、
内部に前記ニードルが摺動自在に配置されたノズルボディと、
前記ノズルボディ内の燃料流れの上流側で前記ニードルが前記ノズルボディと接触する上流側シート部と、
前記ノズルボディ内の燃料流れの下流側で前記ニードルが前記ノズルボディと接触する下流側シート部と、
前記下流側シート部よりも上流側に設けられたキャビテーション気泡生成部と、
前記ニードルが前記上流側シート部及び前記下流側シート部に着座したときに、前記上流側シート部と前記下流側シート部とによってシールされ、前記キャビテーション気泡生成部によって生成されたキャビテーション気泡を含む燃料が保持される燃料保持部を備えたことを特徴とする燃料噴射弁。
【請求項２】
前記キャビテーション気泡生成部は、前記上流側シート部と前記下流側シート部との間に形成されたシート凹部であることを特徴とした請求項１記載の燃料噴射弁。
【請求項３】
前記ニードルの前記上流側シート部に接触する第１外周面が前記ニードルの中心軸となす第１角と、
前記ニードルの前記下流側シート部に接触する第２外周面が前記ニードルの中心軸となす第２角と、を同一としたことを特徴とする請求項１又は２記載の燃料噴射弁。
【請求項４】
ノズルボディの外部と前記燃料保持部とを連通する空気取り入れ孔を備えたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項記載の燃料噴射弁。
【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に関する。
【背景技術】
【０００２】
直接噴射式の内燃機関において、燃料噴射弁から噴射される燃料の微粒化が排気ガス成分やエンジン出力に影響を与えることが知られている。従来、気泡保持流路の流路断面積をキャビテーション発生流路の流路断面積より大きくし、キャビテーション発生流路の流出口を急拡大流れとすることで、気泡保持流路内に縦渦を形成し、キャビテーション気泡を保持する提案がされている（例えば、特許文献１）。キャビテーション気泡が崩壊することによって燃料の微粒化が促進される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−１７７１７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前記特許文献１に開示された提案におけるキャビテーション気泡が生じるには、ニードルがリフトすることによって燃料噴射が始まり、高速の燃料流動に起因する負圧の発生が必要となる。このため、ニードルが低リフト状態にあるとき等、燃料の流動が緩慢であるときは、キャビテーション気泡が発生し難く、燃料の微粒化が促進され難いという問題があった。
【０００５】
そこで、本明細書開示の燃料噴射弁は、燃料噴射初期の段階において良好な燃料の微粒化を得ることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
かかる課題を解決するために、本明細書開示の燃料噴射弁は、ニードルと、内部に前記ニードルが摺動自在に配置されたノズルボディと、前記ノズルボディ内の燃料流れの上流側で前記ニードルが前記ノズルボディと接触する上流側シート部と、前記ノズルボディ内の燃料流れの下流側で前記ニードルが前記ノズルボディと接触する下流側シート部と、前記下流側シート部よりも上流側に設けられたキャビテーション気泡生成部と、前記ニードルが前記上流側シート部及び前記下流側シート部に着座したときに、前記上流側シート部と前記下流側シート部とによってシールされ、前記キャビテーション気泡生成部によって生成されたキャビテーション気泡を含む燃料が保持される燃料保持部を備えたことを特徴とする。
【０００７】
燃料噴射中にキャビテーション気泡生成部によって生成されたキャビテーション気泡を含む燃料は、燃料噴射が終了すると燃料保持部に閉じ込められる。次回の燃料噴射時には、キャビテーション気泡を含むこの閉じ込められた燃料が最初に噴射される。このため、噴射初期の低リフト状態のとき等、燃料の流動が緩慢で新たなキャビテーション気泡が生成され難い状態においてもキャビテーション気泡を含んだ燃料を噴射することができる。この結果、燃料の微粒化を促進することができる。
【０００８】
このような燃料噴射弁における前記キャビテーション気泡生成部は、前記上流側シート部と前記下流側シート部との間に形成されたシート凹部とすることができる。
【０００９】
シート凹部は、上流側シート部を通過した燃料が流入するときにキャビテーション気泡を生成することができる。また、ニードルがノズルボディの着座したときに、前記上流側シート部と前記下流側シート部とによってシールされ、燃料が保持される燃料保持部となることができる。
【００１０】
このような燃料噴射弁において、前記ニードルの前記上流側シート部に接触する第１外周面が前記ニードルの中心軸となす第１角と、前記ニードルの前記下流側シート部に接触する第２外周面が前記ニードルの中心軸となす第２角と、を同一とした構成とすることができる。
【００１１】
これにより、ニードルが上流側シート部と下流側シート部に同時に着座し、燃料保持部にキャビテーション気泡を含んだ燃料を漏れなく閉じ込めることができる。
【００１２】
このような燃料噴射弁において、ノズルボディの外部と前記燃料保持部とを連通する空気取り入れ孔を備えた構成とすることができる。
【００１３】
ニードルがリフトしておらず、燃料保持部に燃料が閉じ込められた状態で燃料保持部に空気を取り込み、空気を取り込むことによって発生した気泡を噴射開始直後の燃料の微粒化に活用するものである。
【発明の効果】
【００１４】
本明細書開示の燃料噴射弁によれば、燃料噴射初期の段階において良好な燃料の微粒化を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、実施例１の燃料噴射弁の先端部を示す断面図である。
【図２】図２は、実施例１の燃料噴射弁の動作を示す説明図である。
【図３】図３は、比較例の燃料噴射弁の動作を示す説明図である。
【図４】図４は、実施例１と比較例の燃料噴射弁のニードルリフト量、キャビテーション気泡量、噴霧粒径の推移を示すグラフである。
【図５】図５は、他の燃料噴射弁の先端部を示す断面図である。
【図６】図６は、実施例２の燃料噴射弁の先端部の断面図である。
【図７】図７は、実施例２の燃料噴射弁の動作を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明を実施するための形態を図面と共に詳細に説明する。ただし、図面中、各部の寸法、比率等は、実際のものと完全に一致するようには図示されていない場合がある。また、図面によっては細部が省略されている場合もある。
【実施例１】
【００１７】
図１は、実施例１の燃料噴射弁１０の先端部を示す断面図である。燃料噴射弁１０は、内部にニードル１が摺動自在に配置され、先端部に噴孔２ａが設けられたノズルボディ２を備えている。また、燃料噴射弁１０は、ノズルボディ２内の燃料流れ５の上流側でニードル１がノズルボディ２と接触する上流側シート部３を備えている。さらに、燃料噴射弁１０は、ノズルボディ２内の燃料流れ５の下流側でニードル１がノズルボディ２と接触する下流側シート部４を備えている。燃料噴射弁１０は、上流側シート部３と下流側シート部４との間に形成されたシート凹部６を備えている。このシート凹部６は、下流側シート部４よりも上流側に設けられたキャビテーション気泡生成部として機能する。また、このシート凹部６は、ニードル１が上流側シート部３及び下流側シート部４に着座したときに、上流側シート部３と下流側シート部４とによってシールされ、燃料が保持される燃料保持部としても機能する。シート凹部６は、燃料流路が急激に拡大することになるので、燃料にキャビテーション気泡を生成することができる。
【００１８】
ニードル１は、上流側シート部３と下流側シート部４とに着座し、この２箇所（２面）において燃料をシールする。そこで、ニードル１は、以下のような外観形状を有している。ニードル１の上流側シート部３に接触する第１外周面１ａ１がニードル１の中心軸ＡＸとなす第１角をθ１とする。そして、ニードル１の下流側シート部４に接触する第２外周面１ａ２がニードル１の中心軸ＡＸとなす第２角も同じくθ１とする。すなわち、ニードル１が上流側シート部３と接触する部分と、ニードル１が下流側シート部４と接触する部分とを段差を有さない同一のテーパ面１ａ上に設けている。また、これに合わせて、ノズルボディ２の内周壁において上流側シート部３が設けられた面が中心軸ＡＸとなす角と、下流側シート部４が設けられた面が中心軸ＡＸとなす角もθ１に設定する。これにより、ニードル１による上流側シート部３と下流側シート部４における良好なシール性を実現することができ、シート凹部６内に燃料を閉じ込めておくことができる。
【００１９】
このような燃料噴射弁１０の動作を図３に示す比較例の燃料噴射弁１５０の動作と比較しつつ説明する。燃料噴射弁１５０のノズルボディ１５２は燃料噴射弁１０のノズルボディ２と共通する。ノズルボディ１５２は、先端部に噴孔１５２ａを備える点、シート凹部１５６を備える点もノズルボディ２と共通する。燃料噴射弁１５０のニードル１５１の形状は、燃料噴射弁１０のニードル１と異なる。このため、燃料噴射弁１５０におけるニードル１５１とノズルボディ１５２は、一か所（一面）のシート部１５３においてのみ接触する。
【００２０】
図２（Ａ）に示すように燃料噴射弁１０のニードル１を大リフト状態としたときは、ノズルボディ２の基端側からシート凹部６に流入した燃料がキャビテーションを起こし、キャビテーション気泡８を生成する。キャビテーション気泡８を含んだ燃料は、噴孔２ａから噴射される。
【００２１】
図３（Ａ）に示すように燃料噴射弁１５０のニードル１５１を大リフト状態としたときも同様である。すなわち、ノズルボディ１５２の基端側からシート凹部１５６に流入した燃料がキャビテーションを起こし、キャビテーション気泡８を生成する。キャビテーション気泡８を含んだ燃料は、噴孔１５２ａから噴射される。
【００２２】
図２（Ｂ）は閉弁状態にある燃料噴射弁１０を示す。このように、ニードル１が上流側シート部３と下流側シート部４とに着座した状態となるとき、シート凹部６は、キャビテーション気泡８を含んだ燃料を閉じ込めた状態でニードル１によってシールされる。
【００２３】
図３（Ｂ）は閉弁状態にある燃料噴射弁１５０を示す。このように、ニードル１５１がシート部１５３に着座した状態となるときであっても、シート部１５３よりも下流側に存在している燃料は、噴孔１５２ａから放出されてしまう。
【００２４】
図２（Ｃ）は小リフト状態にある燃料噴射弁１０を示す。このように小リフト状態にあるときは、シート凹部６に流入する燃料の流速も遅いことからシート凹部６において十分なキャビテーション気泡８を発生させることが困難である。しかしながら、本実施例の場合、それ以前に生成されたキャビテーション気泡８を含んだ燃料がシート凹部６に保持されており、このキャビテーション気泡８を含んだ燃料が噴射される。この結果、燃料の微粒化が促進される。
【００２５】
図３（Ｃ）は小リフト状態にある燃料噴射弁１５０を示す。このように小リフト状態にあるときは、シート凹部６に流入する燃料の流速も遅いことからシート凹部６において十分なキャビテーション気泡８を発生させることが困難である。また、燃料噴射弁１５０は、燃料噴射弁１０と異なりキャビテーション気泡８を含んだ燃料を保持していないため、ノズルボディ１５２の基端側から流入した燃料がそのまま噴射されるのみである。
【００２６】
実施例の燃料噴射弁１０と比較例の燃料噴射弁１５０のニードルリフト量、キャビテーション気泡量、噴霧粒径の推移を図４に示す。図４における横軸はクランク角（ＣＡ）である。
【００２７】
噴射行程初期の小リフト時は、比較例の場合も、本実施例の場合もキャビテーション気泡量は少ない。しかしながら、本実施例の場合は、予め保持されたキャビテーション気泡８が存在している。このため、比較例の場合が小リフト時の噴霧粒径が大きいのに対し、本実施例では噴霧粒径を微粒化することができる。
【００２８】
大リフト時は比較例、本実施例ともに、同等のキャビテーション気泡を発生させることができる。このため、大リフト時の噴霧粒径は、同等のものとすることができる。
【００２９】
噴射行程の終盤において、再び小リフト状態となり、さらに、閉弁状態となるとき、比較例では、キャビテーション気泡は急速に流出してしまう。これに対し、本実施例では、閉弁状態となったときに、所定量のキャビテーション気泡がシート凹部６に保持される。この保持されたキャビテーション気泡は、次回噴射行程の初期に噴射され、噴霧粒径を微粒化することができる。
【００３０】
このように、本実施例の燃料噴射弁１０は、燃料噴射期間の全域で噴霧粒径を微粒化することができる。
【００３１】
なお、図５に示すようにノズルボディ２の外部とシート凹部６とを連通する空気取り入れ孔９を備える構成とすることもできる。閉弁状態時に、空気取り入れ孔９から空気を取り込み、シート凹部６内に気泡を充満させ、この気泡を噴射開始初期の燃料微粒化に活用することができる。空気取り入れ孔９は、シート凹部６とノズルボディ２の外部となる燃焼室（筒内）とを連通させる。これにより、燃焼室から排ガス、空気を取り込むことができる。ニードル１がリフトし、燃料が噴射された後は、ノズルボディ２内の圧力は、ノズルボディ２の外側（燃焼室側）の圧力よりも低圧となる。この燃料噴射後圧力差により、燃焼室内の空気がノズルボディ２（シート凹部６）に流入する。また、このようなノズルボディ２内外の圧力差により、キャビテーション気泡８が空気取り入れ孔９から流出することも抑制される。また、空気取り入れ孔９の径は、燃料が通過することができない径、例えば、０．０２ｍｍ〜０．０８ｍｍ程度に設定される。これにより、空気取り入れ孔９から燃料が噴射されることが抑制される。
【実施例２】
【００３２】
つぎに、実施例２の燃料噴射弁２０について、図６、図７を参照しつつ説明する。燃料噴射弁２０は、内部に第１ニードル２１ａ及び第２ニードル２１ｂが摺動自在に配置され、先端部に噴孔２２ａが設けられたノズルボディ２２を備えている。第１ニードル２１ａと第２ニードル２１ｂはそれぞれ別個のソレノイドアクチュエータによって駆動される。第２ニードル２１ｂは外開弁ニードルである。燃料噴射弁２０は、第１ニードル２１ａが基端側に移動し、第２ニードル２１ｂが先端側に移動することによって噴射状態となる。燃料噴射弁２０は、ノズルボディ２２内の燃料流れ２５の上流側で第１ニードル２１ａがノズルボディ２２と接触する上流側シート部２３を備えている。さらに、燃料噴射弁２０は、ノズルボディ２２内の燃料流れ５の下流側で第２ニードル２１ｂがノズルボディ２と接触する下流側シート部２４を備えている。燃料噴射弁２０は、上流側シート部２３と下流側シート部２４との間に形成されたシート凹部２６を備えている。このシート凹部２６は、下流側シート部２４よりも上流側に設けられたキャビテーション気泡生成部として機能する。また、このシート凹部２６は、第１ニードル２１ａが上流側シート部２３に着座するとともに第２ニードル２１ｂが下流側シート部２４に着座したときに、上流側シート部２３と下流側シート部２４とによってシールされ、燃料が保持される燃料保持部としても機能する。シート凹部２６は、燃料流路が急激に拡大することになるので、燃料にキャビテーション気泡を生成することができる。
【００３３】
このような燃料噴射弁２０の動作を、図７を参照しつつ説明する。図７（Ａ）に示すように燃料噴射弁２０の第１ニードル２１ａ、第２ニードル２１ｂを大リフト状態としたときは、ノズルボディ２２の基端側からシート凹部２６に流入した燃料がキャビテーションを起こし、キャビテーション気泡８を生成する。キャビテーション気泡８を含んだ燃料は、噴孔２２ａから噴射される。
【００３４】
図７（Ｂ）は閉弁状態にある燃料噴射弁２０を示す。このように、第１ニードル２１ａが上流側シート部２３に着座し、第２ニードル２１ｂが下流側シート部２４に着座した状態となるとき、シート凹部２６は、キャビテーション気泡８を含んだ燃料を閉じ込めた状態で第１ニードル２１ａ、第２ニードル２１ｂによってシールされる。
【００３５】
図７（Ｃ）は小リフト状態にある燃料噴射弁２０を示す。このように小リフト状態にあるときは、シート凹部２６に流入する燃料の流速も遅いことからシート凹部２６において十分なキャビテーション気泡８を発生させることが困難である。しかしながら、シート凹部２６には、それ以前に生成されたキャビテーション気泡を含んだ燃料が保持されており、このキャビテーション気泡８を含んだ燃料が噴射される。この結果、燃料の微粒化が促進される。
【００３６】
このように、燃料噴射弁２０は、燃料噴射期間の全域で噴霧粒径を微粒化することができる。
【００３７】
上記実施例は本発明を実施するための例にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではなく、これらの実施例を種々変形することは本発明の範囲内であり、更に本発明の範囲内において、他の様々な実施例が可能であることは上記記載から自明である。
【符号の説明】
【００３８】
１…ニードル                  ２…ノズルボディ
３、２３…上流側シート部      ４、２４…下流側シート部
６、２６…シート凹部          ８…キャビテーション気泡
９…空気取り入れ孔            １０、２０、１５０…燃料噴射弁
２１ａ…第１ニードル          ２１ｂ…第２ニードル
【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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