(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内周側と外周側とを連通する噴孔、ならびに前記噴孔の燃料入口側に弁座部を有する弁ボディと、
前記弁座部に当接可能な当接部、および外周部に中心軸に対し所定の角度をなして形成されている溝部を有し、前記当接部が前記弁座部から離座または前記当接部が前記弁座部へ着座することにより前記噴孔を開閉する弁部材とを備える燃料噴射装置であって、
前記弁ボディの内周部と前記弁部材の先端部との間に、前記弁ボディの円錐状の内壁面と前記弁部材の円錐状の外壁面とのみに挟まれて形成されている旋回流形成室を備え、
前記弁ボディと前記弁部材との間ならびに噴孔により燃料流路が形成され、前記燃料流路における燃料の流れ方向において前記溝部よりも下流側に前記弁座部および前記旋回流形成室が順に配設され、
前記噴孔の燃料入口側は、前記弁ボディの円錐状の弁座部に開口し、
前記燃料流路は前記噴孔から噴射される燃料の噴霧形状および噴射率を前記弁部材のリフト量に応じて変更可能であることを特徴とする燃料噴射装置。
【請求項２】
前記弁部材の中心軸から前記溝部の出口における燃料の流れの中心位置までの半径をｒｓとしたとき、前記噴孔の入口側の上端部と前記弁部材の中心軸との距離をｒｕとし、前記噴孔の入口側の下端部と前記弁部材の中心軸との距離をｒｄとすると、ｒｄ＜ｒｓ＜ｒｕであることを特徴とする請求項１記載の燃料噴射装置。
【請求項３】
前記弁部材の外周部と前記弁ボディの内周部との間の距離は、前記弁部材のリフト量に比例して連続的に拡大するように形成されていることを特徴とする請求項１または２記載の燃料噴射装置。
【請求項４】
前記弁部材の外周部と前記弁ボディの内周部との間の距離は、前記弁部材のリフト量に応じて段階的に拡大するように形成されていることを特徴とする請求項１または２記載の燃料噴射装置。
【請求項５】
前記旋回流形成室は、内径が前記弁ボディの外周部の外径よりも小さく形成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項記載の燃料噴射装置。
【請求項６】
前記弁部材は、該弁部材の軸となす角度が異なる複数の外周部を有することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項記載の燃料噴射装置。
【請求項７】
前記旋回流形成室は、前記弁部材が前記弁ボディに当接する前記当接部よりも先端側に形成されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項記載の燃料噴射装置。
【請求項８】
前記噴孔は、該噴孔の燃料入口側の内径よりも内径が小さな縮径部を有することを特徴とする請求項１から７のいずれか一項記載の燃料噴射装置。
【請求項９】
前記噴孔の燃料入口側と前記弁部材の外周部との間の距離と前記縮径部の内径との比は、前記噴孔から噴射される燃料の噴霧角度に応じて設定されていることを特徴とする請求項８記載の燃料噴射装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関（以下、内燃機関を「エンジン」という。）の燃料噴射装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、高圧ポンプから供給された高圧の燃料をエンジンのシリンダの内部に噴射する燃料噴射装置が知られている。燃料噴射装置では、例えば特開平１１−３２４８６６号公報および自動車技術会論文２０００５０５４に開示されているように、渦巻きを形成する噴射装置によりエンジンの運転状況に応じて噴射される噴霧の形状の可変を図る技術が提案されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
特開平１１−３２４８６６号公報に開示されている燃料噴射ノズルの場合、旋回流形成室の容積を弁部材のリフト量に応じて変化させることにより、噴霧の形状を制御している。特開平１１−３２４８６６号公報に開示される燃料噴射ノズルでは、噴霧の形状を変化させるためには容積の変化が必要であるため、弁部材のリフト量を大きくする必要がある。しかし、通常のエンジンに適用される燃料噴射ノズルの場合、確保することができるリフト量には制限があり、噴霧の形状を大幅に変更することができないという問題がある。
【０００４】
また、自動車技術会論文２０００５０５４では、噴霧の形状を噴孔の径と燃料が流入する流入孔の比によって大幅に変更可能であることが示されている。しかし、当該論文に示されている技術は、弁ボディに噴孔が１つ形成されているいわゆる単噴孔ノズルにしか適用できないという問題がある。
そこで、本発明の目的は、噴孔の数に関係なくエンジンの運転状態に応じて噴霧の形状が変更され、排出される有害物質を低減する燃料噴射装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１記載の燃料噴射装置によると、燃料流路は弁部材のリフト量に応じて噴孔から噴射される燃料の噴霧の形状および噴射率を変更可能な形状である。そのため、弁ボディに形成されている噴孔の数にかかわらず、燃料の噴射圧力が低いときでも噴霧形状、特に噴霧角度および噴霧の到達距離が弁部材のリフト量に応じて制御される。また、燃料流路は、弁部材の外周部および弁ボディの内周部との間ならびに噴孔により形成されるため、弁部材の外周部、弁部材の内周部または噴孔の形状を変更することにより、燃料流路の形状を容易に変更することができる。そのため、構造を簡単にすることができる。
【０００６】
例えば、早期噴射とその後の主噴射とに燃料の噴射を分離する分割噴射の場合、所定量の早期噴射を燃焼室内部の所定の領域に層状で均一な可燃混合気範囲の希薄噴霧を形成する。早期噴射により形成される噴霧は、噴霧角度を大きく貫通力を小さくする。これにより、過早着火あるいは失火を防止することができる。着火はあらかじめ燃料と空気とが混合された予混合着火となるが、希薄噴霧であるため燃焼温度の低い冷炎となる。早期噴射により形成された冷炎に早期噴射と異なる噴射特性の主噴射をすることにより、主噴射により形成される噴霧は冷炎により着火遅れなく着火する。そのため、発生する熱量の最高点を制御でき、燃費が最適となる時期に噴射時期を適当に設定することができる。また、主噴射による燃料の噴射量を制御することでエンジンの出力を制御することができる。主噴射により形成される燃料の噴霧は、例えば噴霧角度が小さく貫通力が大きな噴霧である。これにより、例えばＮＯｘ、ＨＣおよび黒煙など有害な排出物の発生が低減され、燃焼時の騒音を低減することができる。したがって、噴孔の数に関係なくエンジンの運転状態に応じて噴霧の形状を変更することができ、排出される有害物質および騒音を低減することができる。
また、本発明の請求項１記載の燃料噴射装置によると、弁部材の外周部には弁部材の軸とは所定の角度をなす溝部が形成されている。燃料流路を流れる燃料は溝部に沿って流れるため、燃料流路を流れる燃料に旋回力を付与することができる。
さに、本発明の請求項１記載の燃料噴射装置によると、弁ボディの内周部と弁部材の先端部との間には旋回流形成室が形成されている。旋回流形成室は内径が弁ボディの外周部の外径より小さく形成されている。そのため、旋回流形成室の容積を小さくすることができ、旋回流を素早く形成することができる。
さらに、本発明の請求項１記載の燃料噴射装置によると、噴孔の燃料入口側は弁部材の当接部が着座する弁ボディの円錐状の弁座部に開口している。このように噴孔の燃料入口側が円錐状の弁座部に開口することにより、弁部材の軸から燃料入口側の上端部までの距離は弁部材の軸から燃料入口の下端部までの距離よりも大きくなる（図５に示すｒｕ、ｒｄを参照）。
ここで、旋回流形成室、あるいは弁部材に設けられている溝部により、噴孔の入口側へ流入する燃料には旋回力が付与されている。この旋回力が付与された燃料が噴孔に流入するとき、上述のように弁部材の軸から噴孔入口の上端部または下端部までの距離がそれぞれ異なるため、運動量保存の法則により噴孔入口の上端部または下端部における旋回する燃料の円周方向の速度成分は相違する。そのため、噴孔の燃料入口側の下端部における円周方向の速度成分は上端部における円周方向の速度成分より大きくなる（図６に示すＵｕ、Ｕｄを参照）。
この噴孔の燃料入口側の上端部または下端部における円周方向の速度成分の差により、その速度差に応じた旋回流が噴孔内でも形成される。このように噴孔内で旋回流が形成されることにより、噴孔の出口側から噴射される燃料の噴霧の微粒化を促進することができる。
【０００７】
本発明の請求項２記載の燃料噴射装置によると、前記弁部材の中心軸から前記溝部の出口における燃料の流れの中心位置までの半径をｒｓとしたとき、前記噴孔の入口側の上端部と前記弁部材の中心軸との距離をｒｕとし、前記噴孔の入口側の下端部と前記弁部材の中心軸との距離をｒｄとすると、ｒｄ＜ｒｓ＜ｒｕである。
本発明の請求項３記載の燃料噴射装置によると、燃料流路は弁部材のリフト量に応じて拡大するように形成されている。そのため、弁部材のリフト量の変化により燃料流路の形状が変化し、噴孔から噴射される燃料の噴霧形状を変更することができる。
【０００８】
本発明の請求項６記載の燃料噴射装置によると、弁部材の軸となす角度が異なる複数の外周部を有している。そのため、弁部材のリフト量に応じて燃料流路の形状を変更でき、噴孔から噴射される燃料の噴霧の形状を変更することができる。
【０００９】
本発明の請求項７記載の燃料噴射装置によると、旋回流形成室は当接部よりも先端側に形成されている。旋回流形成室では旋回流が形成されるため、旋回流の旋回による圧力均衡作用により、弁部材を調芯することができる。これにより、弁部材と弁ボディとを同軸に維持することができるため、燃料は複数の噴孔へ均等に分配される。その結果、各噴孔により形成される噴霧の形状のばらつきを防止することができる。
【００１０】
本発明の請求項８または９記載の燃料噴射装置によると、噴孔は燃料入口側の内径よりも内径が小さな縮径部を有している。すなわち、噴孔は例えば鼓のような形状に形成されている。噴孔に流入する燃料は弁部材のリフト量によって噴孔に供給される燃料の流量が異なる。そのため、噴孔に縮径部を形成することにより、燃料の流量に応じて噴孔から噴射される燃料の噴霧の形状が変化する。例えば、燃料の流量が小さいとき、縮径部で縮小された燃料の流れは噴孔の形状に沿って拡大し噴霧角度の大きな噴霧として噴射される。一方、燃料の流量が大きいとき、縮径部で縮小された燃料の流れは縮小された状態を維持して流れ噴霧角度の小さな噴霧として噴射される。したがって、リフト量に応じて噴射される燃料の形状を変更することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を示す複数の実施例を図に基づいて説明する。
（第１実施例）
本発明の第１実施例による燃料噴射装置であるインジェクタ１を図２に示す。インジェクタ１は図示しないエンジンのエンジンヘッドに挿入搭載され、エンジンの各気筒内に燃料を直接噴射するように構成されている。燃料噴射ポンプから吐出された高圧燃料は図示しない蓄圧管の蓄圧室で所定圧に蓄圧され、インジェクタ１に供給される。燃料噴射ポンプは、エンジンの回転数、負荷、あるいは吸入燃料圧力、吸入空気量、冷却水の温度にしたがい吐出圧を調整する。
【００１３】
インジェクタ１のハウジング１１と弁ボディ１２とはチップパッキン１３をはさみリテーニングナット１４で締結されている。弁部材は、噴孔１２１側からバルブニードル７０、ロッド２３、制御ピストン２４、２５により構成されている。
【００１４】
バルブニードル７０は弁ボディ１２に往復移動自在に支持されている。バルブニードル７０は、第１の付勢手段としての第１スプリング１５により制御ピストン２４、ロッド２３を介し弁ボディ１２に形成した弁座部１２ａに付勢されている。第１スプリング１５は第２制御室６５に制御ピストン２５と同軸に収容されている。第２の付勢手段としての第２スプリング１６はハウジング１１内のロッド２３の周囲にロッド２３と同軸に嵌挿され、チップパッキン１３にスプリング座１７を押圧している。スプリング座１７がチップパッキン１３に着座しているとき、スプリング座１７の下端面はバルブニードル７０と隙間ｈ１つまり第１リフト量を形成している。スプリング座１７がチップパッキン１３に着座しているとき、スプリング座１７の下端面はチップパッキン１３の下端面よりｈ２つまり第２リフト量に対応する分突出している。したがって、バルブニードル７０の最大リフト量はｈ１＋ｈ２となる。
【００１５】
電磁弁３０はハウジング１１の上部とナット３１で締結されている。電磁弁３０は、アーマチャ３２、ボディ３３、プレート３４、コイル３５、第１制御弁４０、第２制御弁４３、第１スプリング４２、第２スプリング４４などで構成されている。
【００１６】
図３に示すように、第２制御弁４３は第２スプリング４４の付勢力によりボディ３３に形成した弁座３３ａに着座可能である。第２制御弁４３は円筒状に形成されており、軸方向に貫通する貫通孔を有している。第２制御弁４３は内周壁により第１制御弁４０を往復移動自在に支持している。第１制御弁４０と第２制御弁４３とは同軸上に配置されている。第１制御弁４０は第１スプリング４２の付勢力によりプレート３４に着座可能である。第１制御弁４０の上部に位置するコア４１は、コイル３５に通電することにより発生する励起吸引力により第１スプリング４２の付勢力に抗してアーマチャ３２の端面３２ａに吸引される。第１制御弁４０が図２および図３の上方にリフトし第２制御弁４３の端部４３ａに当接する。コイル３５に供給される電流値がさらに高い場合、第１制御弁４０のコア４１を吸引する力がさらに大きくなり、第１スプリング４２と第２スプリング４４との付勢力の和に抗し第１制御弁４０および第２制御弁４３がともに上昇し、第２制御弁４３がアーマチャ３２の係止部３２ｂに当接して停止する。
【００１７】
第１制御室６０に入口絞り６１および出口絞り６２が連通している。出口絞り６２の流路面積は入口絞り６１の流路面積よりも大きい。出口絞り６２は低圧側と連通可能な燃料通路である。入口絞り６１は、ハウジング１１に圧入あるいは嵌合挿入されているライナー２６に形成されており、燃料通路５１と連通している。燃料流入通路５０、燃料通路５１、入口絞り６１を通り第１制御室６０に高圧燃料が供給される。出口絞り６２はボディ３３とハウジング１１との間に挟持されているプレート３４に形成されており、燃料室６３に連通している。また、第２制御室６５に入口絞り６６および出口絞り６７が連通している。出口絞り６７の流路面積は入口絞り６６の流路面積よりも大きい。入口絞り６６は燃料通路５１に連通しており、燃料流入通路５０、燃料通路５１、入口絞り６６を通り第２制御室６５に高圧燃料が供給される。出口絞り６７は燃料通路６８に連通している。
【００１８】
第１制御弁４０が出口絞り６２を開放することで、第１制御室６０の高圧燃料は、出口絞り６２、低圧側の燃料室６３および燃料通路６４を経由して燃料排出通路５８から燃料タンク３に排出される。第２制御弁４３がボディ３３の弁座３３ａから離座することにより燃料通路６９を開放すると、第２制御室６５の高圧燃料は、出口絞り６７および燃料通路６８を経由して燃料排出通路５８から燃料タンク３に排出される。
【００１９】
図２に示すように、制御ピストン２４はハウジング１１に嵌挿されている。制御ピストン２４の反噴孔側に位置している制御ピストン２５はライナー２６に嵌挿されており、第１制御室６０に面している。制御ピストン２４の下部はロッド２３に当接している。第１スプリング１５は一端をライナー２６に当接し、他端を制御ピストン２５に係止されている。制御ピストン２４と制御ピストン２５とは別体としたが、一体に構成してもよい。また、制御ピストン２４とロッド２３は一体でもよい。
【００２０】
制御ピストン２４および制御ピストン２５が第１制御室６０から燃料圧力を受ける受圧面積、第２制御室６５から燃料圧力を受ける受圧面積の合計は、弁ボディ１２と摺動するバルブニードル７０のガイド部の断面積、つまり、バルブニードル７０を収容する弁ボディ１２の収容孔の断面積より大きく形成されている。図示しない蓄圧管から供給される高圧燃料は、ハウジング１１に形成された燃料流入通路５０、燃料通路５１、チップパッキン１３に形成された燃料通路５２、ノズルボディ１２に形成された燃料通路５３、燃料溜まり５４からバルブニードル７０周囲の燃料通路５５を経てバルブニードル７０と弁座部１２ａとで形成する弁部２に至る。
【００２１】
次に、弁部２の周辺について構成を説明する。
図４に示すように、バルブニードル７０は弁ボディ１２の内部に摺動可能に収容されている。バルブニードル７０の先端に設けられた当接部７０ａは弁ボディ１２に形成した弁座部１２ａに着座可能である。
【００２２】
図１に示すように弁部２は、旋回流形成室１８および噴孔１２１、ならびに旋回力形成部７１から構成されている。旋回力形成部７１は、弁ボディ１２の内周部に形成されている弁座部１２ａ、ならびにバルブニードル７０に形成されている第１円錐台部７１１、第２円錐台部７１２、第３円錐台部７１３、円筒部７１４、溝部７１５および円錐部７１６から構成されている。溝部７１５は第１円錐台部７１１から円筒部７１４および第２円錐台部７１２を経て第３円錐台部７１３までバルブニードル７０の外周部に形成され、バルブニードル７０の軸Ｌとは所定の角度βをなすように形成されている。第３円錐台部７１３の傾斜角度すなわち第３円錐台部７１３の外周部とバルブニードル７０の軸Ｌとがなす角度は、バルブニードル７０の先端の円錐部７１６の傾斜角度よりもわずかに小さいまたは同一に設定されている。第３円錐台部７１３と円錐部７１６との接続部は当接部７０ａである。
【００２３】
円筒部７１４と弁ボディ１２の円筒内周部１２ｃとの間には、所定のクリアランスが形成されている。溝部７１５の流路断面積は、噴孔１２１の流路断面積よりも大きく、かつバルブニードル７０の最大リフト時における弁座部１２ａと当接部７０ａとの間の流路面積よりも大きく設定されている。旋回流形成室１８は、弁ボディ１２の内周部とバルブニードル７０の円錐部７１６との間に形成される。旋回流形成室１８の内径は、バルブニードル７０の外周部の外径よりも小さい。噴孔１２１は、弁ボディ１２の内周側である内壁と外周側である外壁とを連通している。噴孔１２１の弁ボディ内壁側、すなわち燃料入口側は、円錐状の弁座部１２ａの燃料下流側に開口している。噴孔１２１は、弁ボディ１２の周方向に複数形成されている。噴孔１２１は、図１に示すように入口側の内径が弁ボディ１２の出口側の内径より大きくなるテーパ形状に形成されている。噴孔１２１の入口側は、弁ボディ１２の内周部との間に面取り部を有しているため、弁ボディ１２の内周部と噴孔１２１とは曲面で接続されている。
【００２４】
弁ボディ１２の内周部と溝部７１５を含むバルブニードル７０の外周部との間ならびに噴孔１２１により燃料流路が形成される。燃料流路は、燃料溜まり５４から燃料通路５５を経由して燃料が供給される。
【００２５】
次に、インジェクタ１の作動について説明する。
まず、図示しない燃料噴射ポンプから燃料が吐出され、図示しない蓄圧管に送出される。蓄圧管の蓄圧室で所定の一定圧に蓄圧された高圧燃料はインジェクタ１に供給される。また、図示しないエンジン制御装置（ＥＣＵ）により、エンジンの運転条件に応じた制御弁駆動電流が生成され、電磁弁３０のコイル３５に供給される。駆動電流の供給によりコイル３５に励起吸引力が発生すると、第１スプリング４２の付勢力に抗し第１制御弁４０を吸引する。すると出口絞り６２が開放され、第１制御室６０が出口絞り６２を介して低圧側の燃料室６３に連通する。入口絞り６１より出口絞り６２の流路面積が大きく設定されているので、流入燃料量より流出燃料量が多く、第１制御室６０の燃料圧力は低下しはじめる。この圧力低下速度は、入口絞り６１と出口絞り６２との流路面積の差と第１制御室６０の容積の設定で任意に調節できる。第１制御室６０の圧力が低下し、第１スプリング１５の設定荷重と、第１制御室６０および第２制御室６５の燃料圧力から受ける力との合力である噴孔閉塞方向の力がバルブニードル７０を押し上げる力より小さくなるとバルブニードル７０は開弁しはじめる。これにより、噴孔１２１からは、燃料の噴射が開始される。
【００２６】
コイル３５に供給される駆動電流がさらに大きくなるとコイル３５により第１制御弁４０が吸引される移動量がさらに大きくなり、第１制御室６０の燃料の圧力はさらに低下する。そのため、燃料の圧力によりバルブニードル７０のリフト量はさらに増大し最大リフト量に達する。
【００２７】
一定時間が経過し、燃料の噴射時期が終了すると、コイル３５への駆動電流の供給が停止される。コイル３５に発生する励起吸引力が消滅し、第１制御弁４０は第１スプリング４２および第２スプリング４４の付勢力により図２の下方へ付勢され、第１制御弁４０は出口絞り６２を閉塞する。出口絞り６２が閉塞されることにより、第１制御室６０の内部の燃料の圧力は増大しバルブニードル７０を噴孔閉塞方向へ付勢する力が増大する。そのため、バルブニードル７０は図２の下方へ移動し、当接部７０ａが弁座部１２ａに着座する。当接部７０ａが弁座部１２ａに着座することにより燃料流路が閉塞され、燃料の噴射が終了する。
【００２８】
次に、上記構成によるインジェクタ１の燃料噴射機構について説明する。
バルブニードル７０が所定の第１リフト量ｈ１まで上昇すると、弁ボディ１２の弁座部１２ａとバルブニードル７０の当接部７０ａとの間にはわずかな隙間が形成される。このとき、溝部７１５を流動する燃料の流速Ｖｎは、図５に示すようにバルブニードル７０の周方向の速度成分Ｕｓと、バルブニードルの軸Ｌ方向の速度成分Ｗｓとに分解される。ＵｓとＷｓとの速度比は、溝部７１５がバルブニードル７０の軸Ｌとなす角度βにより決定される。すなわち、溝部７１５はバルブニードル７０のリフト量にかかわらず一定の流路断面積を有しているため、溝部７１５を流動する燃料の流速Ｖｎは弁座部１２ａと当接部７０ａとの間の隙間を流動する燃料の流量が増大するにしたがって増大する。また、燃料流路の一部を形成する弁ボディ１２の内周部とバルブニードル７０の外周部との間の距離は、弁座部１２ａと当接部７０ａとの間ではバルブニードル７０のリフト量に比例して拡大する。一方、円筒内周部１２ｃと円筒部７１４との間の距離は、バルブニードル７０のリフト量にかかわらず一定である。
【００２９】
このとき、運動量保存の法則および自由渦の法則により、溝部７１５の出口における燃料の流れの中心位置の半径をｒｓとすると、溝部７１５の出口における燃料旋回流の円周方向の速度成分Ｕｓとの積である角運動量ｒｓ×Ｕｓは保存される。これにより、噴孔１２１の弁ボディ１２の入口側の上端部１２１ｕとバルブニードル７０の軸Ｌとの距離をｒｕ、噴孔１２１の上端部１２１ｕにおける燃料の円周方向の速度成分をＵｕ、噴孔１２１の入口側の下端部１２１ｄとバルブニードル７０の軸Ｌとの距離をｒｄ、噴孔１２１の下端部における燃料の円周方向の速度成分をＵｄとすると、ｒｓ×Ｕｓ＝ｒｕ×Ｕｕ＝ｒｄ×Ｕｄが成立する。ここで、ｒｄ＜ｒｕであるから、Ｕｕ＝ｒｓ×Ｕｓ／ｒｕ＜Ｕｄ＝ｒｓ×Ｕｓ／ｒｄとなる。すなわち、噴孔１２１の下端部１２１ｄにおける流速Ｕｄが上端部１２１ｕにおける流速Ｕｕよりも大きく、これらの差Ｕｄ−Ｕｕに応じた旋回流が図６に示すように噴孔１２１の内部で形成される。つまり、噴孔１２１の内部でも旋回流が形成され、噴孔１２１そのものが旋回流形成室として機能する。
【００３０】
上記の自動車技術会論文２０００５０５４に示されているように、噴孔１２１の出口側の半径ｒｅと流入孔の等価面積直径ｄｏとの比に基づいて噴霧角度は決定される。本実施例の場合、噴孔１２１の入口とバルブニードル７０の円錐部７１６との距離ｈは流入孔の等価面積直径ｄｏに比例することから、噴孔１２１の出口側の半径ｒｅと距離ｈすなわちバルブニードル７０の第１リフト量ｈ１との比ｒｅ／ｈ１にしたがって噴霧角度は変化する。噴孔１２１の出口側の半径ｒｅは一定であるため、バルブニードル７０のリフト量ｈ１が増大するにしたがって噴孔１２１から噴射される燃料の噴霧角度は低減する。そのため、バルブニードル７０のリフト量ｈ１を変化することにより、噴霧角度を変更することができる。また、噴孔１２１は面取り部を有しているので、燃料は円滑に噴孔１２１へ導入される。さらに、噴孔１２１はテーパ形状に形成されているため、ｒｅ／ｄｏに応じて噴孔１２１の出口における流速が決定される。
【００３１】
バルブニードル７０のリフト量が増大し最大リフト量ｈ１＋ｈ２に到達すると、弁座部１２ａと当接部７０ａとの間の距離はさらに増大し、ｒｅ／ｈが小さくなる。そのため、リフト量ｈ１のときと比較して噴孔１２１から噴射される燃料の噴霧角度αは小さくなる。このとき、旋回流形成室１８と噴孔１２１の内部の旋回流の損失により流量係数は図７に示すように従来の燃料噴射装置と比較して低い値を示す。
なお、上記の従来の燃料噴射装置とは、本実施例の溝部７１５などの旋回流形成部７１あるいは旋回流形成室１８に相当する部位を備えておらず、燃料に旋回力を付与しないタイプのものをいう。噴孔は、本実施例と同様に弁ボディの円錐状の弁座部に形成されている。
【００３２】
上記のように第１実施例では、流量係数を変更することにより燃料の噴射率を変更することができる。ｒｅ／ｄｏすなわちｒｅ／ｈ１を設定することにより旋回流の流速が変更され、流量係数ひいては噴射率が設定される。また、噴孔１２１から噴射される燃料の噴霧角度は、旋回流の旋回力によって制御される。すなわち、噴孔１２１での損失を低減することにより噴霧角度は小さくなり、噴孔１２１での損失を増大することにより噴射角度は大きくなる。
【００３３】
以上説明した第１実施例によると、バルブニードル７０の外周部に溝部７１５を形成することにより弁ボディ１２の内部の旋回流形成室１８で旋回流が形成される。形成される旋回流の旋回力はバルブニードル７０のリフト量に応じて変化する。また、バルブニードル７０のリフト量に応じて、燃料流路の一部である弁座１２ａと当接部７０ａとの間の距離が変化するため噴孔１２１へ流入する燃料の流速および流量が変化する。そのため、噴孔１２１から噴射される燃料の噴霧角度をバルブニードル７０のリフト量によって変化させることができる。また、旋回力が付与された燃料を噴孔１２１へ導くことにより噴孔１２１の内部でも旋回流が形成される。そのため、噴孔１２１から噴射される燃料の噴霧は微粒化が促進され、エンジンから排出される有害物質を低減することができる。
【００３４】
第１実施例では、噴孔１２１をテーパ形状に形成している。そのため、ｒｅ／ｈを小さくすることができるだけでなく、噴孔１２１における中心軸方向の流れの損失を低減することができる。そのため、噴孔１２１の内部における燃料の旋回流による損失を補い、所望の噴霧到達距離を確保することができる。
【００３５】
また、第１実施例では旋回流形成室１８の内径を小さくしているので、旋回流形成室１８の容積を小さくすることができる。旋回流形成室１８の容積を小さくすることにより、旋回流を迅速に形成することができる。また、旋回流形成室１８を当接部７０ａよりも先端側に形成することにより、バルブニードル７０のリフト量の変化に噴孔１２１から噴射される燃料の噴霧角度が素早く追随することができる。さらに、旋回流形成室１８における燃料の圧力均衡作用により、バルブニードル７０の中心軸は調芯され、バルブニードル７０と弁ボディ１２との同軸性を確保することができる。そのため、弁ボディ１２の周方向に複数形成されている噴孔１２１から噴射される燃料の噴霧が各噴孔間で変形したり、噴射率が変化したりすることなく、噴孔間での噴霧のばらつきを低減することができる。
【００３６】
以上、第１実施例では噴孔１２１をテーパ形状に形成する場合について説明した。しかし、噴孔はテーパ形状に限らず円筒状に形成することもできる。ただし、この場合、燃料の旋回による損失を考慮し内径を大きく設定する必要がある。
【００３７】
（第２実施例）
本発明の第２実施例によるインジェクタを図８に示す。第１実施例と同一の構成部位には同一の符号を付し、説明を省略する。
第２実施例は、弁ボディ１２の内周部の形状が第１実施例と異なる。第２実施例の場合、弁ボディ１２の内周部には第１実施例と同一の内径の円筒内周部１２ｄと円筒内周部１２ｄよりも内径が大きな拡大内周部１２ｅとが形成されている。これにより、バルブニードル７０のリフト量が小さいとき、円筒内周部１２ｄは第１実施例と同一のクリアランスを維持しつつバルブニードル７０の円筒部７１４と対向する。一方、バルブニードル７０のリフト量が大きくなると、円筒部７１４は拡大内周部１２ｅと対向する。すなわち、燃料流路を形成する弁ボディ１２の内周部とバルブニードル７０の外周部との間の距離は、バルブニードル７０のリフト量に応じて段階的に変化する。
【００３８】
バルブニードル７０のリフト量が図８に示すＬ１＋Ｌ２より小さいとき、噴孔１２１から噴射される燃料の噴霧角度および流量係数は第１実施例と同一である。バルブニードル７０のリフト量が増大しＬ１＋Ｌ２よりも大きくなると、溝部７１５を通過する燃料の運動エネルギより第２円錐台部７１２の外側を通過する燃料のバルブニードル軸方向の流れ成分Ｗｂのエネルギが大きくなる。そのため、燃料は旋回力が付与されることなく図８の上方から下方へバルブニードル７０の軸方向へ流動する。その結果、バルブニードル７０のリフト量がＬ１＋Ｌ２よりも大きくなると、旋回流形成室１８における旋回流は急速に旋回力を喪失する。
【００３９】
図９に示すように、バルブニードル７０のリフト量がＬ１＋Ｌ２より大きくなるにしたがって、噴霧角度αは溝部７１５などが形成されていない従来の燃料噴射装置と同様になる。また、流量係数μも増大するため従来の燃料噴射装置と同様となる。
【００４０】
上記のような第２実施例では、バルブニードル７０のリフト量をＬ１、Ｌ１＋Ｌ２、ならびにＬ１＋Ｌ２よりも大きな例えばＬ３などに制御することにより、噴霧角度および流量係数を第１実施例と比較して大きく変化させることができる。
例えば、エンジンの低負荷または中負荷領域ではバルブニードル７０のリフト量をＬ１に制御することにより、噴霧角度が大きく貫通力が小さな燃料噴霧とすることができる。そのため、流量係数が小さく噴射期間を延長することができ、エンジンの運転時における騒音および有害物質の排出を低減することができる。一方、高負荷領域ではバルブニードル７０のリフト量をＬ３に制御することにより、噴霧角度が小さく貫通力が大きな燃料噴霧とすることができる。そのため、流量係数が大きくなりエンジンの燃焼室全体に燃料を短期間で拡散させることができ、エンジンから排出される黒煙の低減と同時にエンジンの出力の増大を実現することができる。
【００４１】
（第３実施例）
本発明の第３実施例によるインジェクタを図１０に示す。第１実施例と同一の構成部位には同一の符号を付し、説明を省略する。
第３実施例では、噴孔１２２の形状が第１実施例と異なる。第３実施例では、図１１に示すように噴孔１２２の弁ボディ１２の内周部側すなわち入口側１２２ａから外周部側すなわち出口側１２２ｂまでの間に最も内径が小さくなる縮径部１２２ｃが形成されている。すなわち、噴孔１２２は鼓形状に形成されている。
【００４２】
噴孔１２２は入口側１２２ａにおける半径がｒｉ、縮径部１２２ｃの半径がｒｍ、ならびに出口側１２２ｂにおける半径がｒｅである。すなわち、噴孔１２２は、入口側１２２ａから縮径部１２２ｃに向かうにしたがって内径が縮小し、縮径部１２２ｃから出口側１２２ｂに向かうにしたがって内径が拡大するように形成されている。そのため、縮径部１２２ｃから出口側１２２ｂへかけて噴孔１２２の内周面はテーパ形状の傾斜面を形成している。縮径部１２２ｃから出口側１２２ｂにかけての噴孔１２２の拡大角度はθｆである。また、噴孔１２２の入口側と弁部材７０の外周部との間の距離と縮径部１２２ｃの内径ｒｍとの比は、噴孔１２２から噴射される燃料の噴霧角度に応じて設定されている。
【００４３】
噴孔１２２の入口側１２２ａから出口側１２２ｂのまでの間に縮径部１２２ｃを形成することにより、バルブニードル７０のリフト量がある所定の第１リフト量の場合、燃料の流速は小さいため、燃料は噴孔１２２の内周面に沿って流動する。縮径部１２２ｃで縮小された燃料は出口側１２２ｂへ拡大する噴孔１２２から燃料が有している旋回力により噴射され、噴射角度が増大する。また、入口側１２２ａから縮径部１２２ｃまでの形状を燃料の流れの形状に合わせた形状に形成することにより、第１実施例と同様に燃料の流れ形状の変化による損失の低減が図られる。一方、θｆを５°から１５°に設定することにより、縮径部１２２ｃから出口側１２２ｂまでの流れの拡大による損失を低減することができる。これにより、流量係数が増大し、第１リフト量より大きな所定の第２リフト量における噴霧角度αを調整することができる。
【００４４】
また、バルブニードル７０のリフト量が第１リフト量よりも大きな所定の第２リフト量の場合、燃料の流速は大きくなる。そのため、縮径部１２２ｃで縮小された燃料の流れはその慣性力により噴孔１２２の内周面とは離れて流動する。その結果、噴孔１２２から噴射される燃料の噴霧角度は小さくなり、噴霧の貫通力が増大する。すなわち、縮径部１２２ｃは絞りとして機能する。
【００４５】
第３実施例では、噴孔１２２を鼓形状とすることにより、噴孔１２２の入口側の面取り部による噴孔１２２への円滑な燃料導入の効果に加え、燃料の流れの縮小および拡大にともなう損失を低減することができる。また、噴孔１２２を鼓形状とすることによりｒｅ／ｄｏが大きくなるため、流量係数を小さくすることができ、噴霧角度の増大を図ることができる。
【００４６】
以上のように第３実施例では、低リフト量である第１リフト量のとき、上述した第２実施例より噴霧角度を増大させることができる。一方、高リフト量である第２リフト量のとき、噴霧角度を低減し貫通力を増大させることができる。また、第２リフト量のとき、流量係数が増大し噴射率を第２実施例よりも大きくすることができる。したがって、噴霧特性の変化量をより大きくすることができる。
【００４７】
（第４実施例）
本発明の第４実施例による燃料噴射装置を図１２から図１４に示す。第１実施例と同一の部位には同一の符号を付し、説明を省略する。
第４実施例によるインジェクタは、構造が単純な単噴孔の燃料噴射装置である。
【００４８】
弁ボディ１９には軸方向の端部に噴孔１９１が形成されている。弁ボディ１９の内周部側にはスワーラ８０が圧入されている。スワーラ８０の内周部側にはバルブニードル７２の円筒部７２１が所定のクリアランスを形成して挿入されている。スワーラ８０には、弁ボディに形成されている燃料通路５３、燃料溜まり５４、燃料通路５５を経由して燃料が供給される燃料通路５６が弁ボディ１９の軸方向に形成されている。スワーラ８０には、燃料通路５６と旋回流形成室８１とを連通する連通部８２が形成されている。バルブニードル７２は、弁ボディ１９の弁座部１９ａに着座可能な当接部７２ａ、ならびに連通部８２の開口部を開閉する制御端部７２ｂを有している。
【００４９】
第４実施例では、旋回流形成室８１へ流入する連通部８２の開口面積をバルブニードル７２のリフト量に応じて変更することができる。これにより、バルブニードル７０のリフト量に応じて燃料流路の形状が変化し、噴孔１９１の出口側１９１ｂの半径ｒｅと旋回流形成室８１の入口側の開口量との関係が変化する。そのため、第１実施例と同様に噴霧角度を変更することができる。
【００５０】
以上説明した本発明の複数の実施例では、コモンレール式の燃料噴射装置に本発明を適用した例について説明したが、本発明はコモンレール式の燃料噴射装置に限らず例えば蓄圧式の電気力−油圧サーボ式の燃料噴射装置、電磁力によりバルブニードルを直接駆動する燃料噴射装置など公知の他の形式の燃料噴射装置に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例による燃料噴射装置を適用したインジェクタを示す図であって、弁部を拡大した模式的な断面図である。
【図２】本発明の第１実施例による燃料噴射装置を適用したインジェクタ示す模式的な断面図である。
【図３】本発明の第１実施例による燃料噴射装置を適用したインジェクタ示す図であって、電磁弁の近傍を拡大した模式的な断面図である。
【図４】本発明の第１実施例による燃料噴射装置を適用したインジェクタのノズル部を示す模式的な断面図である。
【図５】本発明の第１実施例による燃料噴射装置を適用したインジェクタを示す図であって、燃料の流れを説明するために弁部を拡大した模式的な断面図である。
【図６】本発明の第１実施例による燃料噴射装置を適用したインジェクタの噴孔から噴射される燃料の流れを説明するために噴孔の近傍を拡大した模式的な断面図である。
【図７】本発明の第１実施例と従来例とを比較した図であって、バルブニードルのリフト量と噴霧角度および流量係数との関係を示す図である。
【図８】本発明の第２実施例による燃料噴射装置を適用したインジェクタを示す図であって、弁部の近傍を拡大した模式的な断面図である。
【図９】本発明の第２実施例と第１実施例および従来例とを比較した図であって、バルブニードルのリフト量と噴霧角度および流量係数との関係を示す図である。
【図１０】本発明の第３実施例による燃料噴射装置を適用したインジェクタを示す図であって、弁部の近傍を拡大した模式的な断面図である。
【図１１】本発明の第１実施例による燃料噴射装置を適用したインジェクタを示す図であって、噴孔の近傍を拡大した模式的な断面図である。
【図１２】本発明の第４実施例による燃料噴射装置を適用したインジェクタのノズル部を示す模式的な断面図である。
【図１３】図１２のXIII−XIIIで切断した断面図である。
【図１４】図１３のＢ−Ｃ−Ｏ−Ｄ−Ｅ線で切断し展開した断面図である。
【符号の説明】
１    インジェクタ（燃料噴射装置）
１２、１９    弁ボディ
１２ａ、１９ａ  弁座部
１８    旋回流形成室
７０、７２    バルブニードル（弁部材）
７０ａ、７２ａ  当接部
８１    旋回流形成室
１２１、１２２、１９１    噴孔
１２２ｃ    縮径部
７１５    溝部
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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