(57)【要約】【課題】噴射燃料量に依らずキャビテーションの生成を制御することが可能な内燃機関の燃料噴射弁を提供する。【解決手段】噴射弁本体２と、該噴射弁本体２内に往復動可能に収容された円筒状のアウターニードル１０と、アウターニードル内にアウターニードルと独立して往復動可能に配置されたインナーニードル１１とを具備する。アウターニードルがその端部に中心軸線に垂直な先端面１０ａを有し、インナーニードルがその中心軸線に平行な側面１１ａを有し、アウターニードルの先端面とインナーニードルの側面とによって環状の凹部であるキャビテーション室６を形成し、燃料噴射時にキャビテーション室に生じる剥離渦によってキャビテーションを生じさせ、アウターニードルからのインナーニードルの突出量を制御することによってキャビテーション室の形状を変更しキャビテーションの生成量を制御する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
噴射弁本体と、該噴射弁本体内に往復動可能に収容された円筒状の第１のニードルと、該第１のニードル内に該第１のニードルと独立して往復動可能に配置された第２のニードルとを具備する内燃機関の燃料噴射弁において、第１のニードルがその端部に中心軸線に垂直な先端面を有し、第２のニードルがその中心軸線に平行な側面を有し、第１のニードルの前記先端面と第２のニードルの前記側面とによって環状の凹部であるキャビテーション室を形成し、燃料噴射時に前記キャビテーション室に生じる剥離渦によってキャビテーションを生じさせ、第１のニードルからの第２のニードルの突出量を制御することによって前記キャビテーション室の形状を変更しキャビテーションの生成量を制御することを特徴とする内燃機関の燃料噴射弁。
【請求項２】
第２のニードルがその中心軸線と直交する軸線を有する少なくとも１つの貫通路を有し、前記貫通路が第１のニードルによって遮蔽される閉位置と前記キャビテーション室を連通する開位置との間で第１のニードルからの第２のニードルの前記突出量を切り替え制御することによって、キャビテーションの生成量を制御することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の燃料噴射弁。
【請求項３】
機関負荷に応じて第１のニードルからの第２のニードルの前記突出量を制御することを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の燃料噴射弁。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は内燃機関の燃料噴射弁に関する。
【背景技術】
【０００２】
筒内噴射式火花点火内燃機関においては、燃料噴射弁から燃焼室に噴射される燃料噴霧の微粒化が排気性状及び機関出力に大きく影響する。即ち、燃料噴霧の微粒化が促進されると、燃料の着火性が向上して良好な燃焼が確保されるため、排気ガスに含まれる有害成分を低減でき、且つ、燃費の向上にとって有利である。
【０００３】
燃料噴霧の微粒化のため、噴射弁本体及びそれに収容されるニードルの両方又はいずれか一方に凹部や溝を設けた内燃機関の燃料噴射弁が公知である（特許文献１参照）。これら凹部や溝によって燃料に旋回流を生成し、旋回流によって生成されるキャビテーションによって燃料噴霧の微粒化が促進される。
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−３１７４３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、この構造によれば、凹部や溝が予め形成されているため、噴射燃料量と、生成される旋回流、即ちそれによって生成されるキャビテーションの生成量とが関連している。そのため、噴射燃料量とキャビテーションの生成とが独立して調整できないという問題がある。
【０００６】
そこで本発明は、噴射燃料量に依らずキャビテーションの生成を制御することが可能な内燃機関の燃料噴射弁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】
【０００７】
前記課題を解決するために請求項１に記載の発明によれば、噴射弁本体と、該噴射弁本体内に往復動可能に収容された円筒状の第１のニードルと、該第１のニードル内に該第１のニードルと独立して往復動可能に配置された第２のニードルとを具備する内燃機関の燃料噴射弁において、第１のニードルがその端部に中心軸線に垂直な先端面を有し、第２のニードルがその中心軸線に平行な側面を有し、第１のニードルの前記先端面と第２のニードルの前記側面とによって環状の凹部であるキャビテーション室を形成し、燃料噴射時に前記キャビテーション室に生じる剥離渦によってキャビテーションを生じさせ、第１のニードルからの第２のニードルの突出量を制御することによって前記キャビテーション室の形状を変更しキャビテーションの生成量を制御することを特徴とする内燃機関の燃料噴射弁が提供される。
【０００８】
即ち、請求項１に記載の発明では、第１のニードル又は第２のニードルによって噴射燃料量を一定に制御しつつ、キャビテーション室の形状を変更することができるので、噴射燃料量に依らず独立してキャビテーションの生成量を制御することが可能となる。
【０００９】
また、請求項２に記載の発明によれば請求項１に記載の発明において、第２のニードルがその中心軸線と直交する軸線を有する少なくとも１つの貫通路を有し、前記貫通路が第１のニードルによって遮蔽される閉位置と前記キャビテーション室を連通する開位置との間で第１のニードルからの第２のニードルの前記突出量を切り替え制御することによって、キャビテーションの生成量を制御することを特徴とする内燃機関の燃料噴射弁が提供される。即ち、請求項２に記載の発明では、貫通路を燃料が通過することによってキャビテーションの生成量が増加するため、貫通路の開き具合を閉位置と開位置との間で変更することによってキャビテーションの発生量を制御することが可能となる。
【００１０】
また、請求項３に記載の発明によれば請求項１又は２に記載の発明において、機関負荷に応じて第１のニードルからの第２のニードルの前記突出量を制御することを特徴とする内燃機関の燃料噴射弁が提供される。即ち、請求項３に記載の発明では、高負荷運転時に混合気の均質度向上のため燃料噴霧の貫徹力（ペネトレーション）が必要である場合には、貫徹力を減少させるキャビテーションが発生しないように、アウターニードル１０からのインナーニードル１１の突出量を制御することが可能となる。一方、低負荷運転時等、燃料噴霧の貫徹力（ペネトレーション）がそれほど必要ではない場合には、微粒化を促進するキャビテーションの生成量を増加させるように、アウターニードル１０からのインナーニードル１１の突出量を制御することが可能となる。
【発明の効果】
【００１１】
各請求項に記載の発明によれば、噴射燃料量に依らずキャビテーションの生成を制御することができるという共通の効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１は本発明の実施形態による内燃機関の燃料噴射弁先端部の概略縦断面図である。図１を参照すると、１は燃料噴射弁、２は噴射弁本体、３は噴射弁本体２内で往復動可能に支持された最大リフト時のニードルを示している。本実施形態による燃料噴射弁１は扁平扇形の噴霧を形成するスリットノズルタイプのものであり、そのため噴射弁本体２先端には、スリット形の噴孔であるスリット噴孔４が形成されている。図１は、スリット噴孔４から噴射される扁平扇形に対して垂直な断面図を示している。なお、以下に説明する本発明による燃料噴射弁の構造は、その他のタイプの燃料噴射弁、例えば、円錐形の噴霧を形成するスワールノズル等にも適用可能である。
【００１３】
図１に示される燃料噴射弁１において、単位時間当たりの噴射燃料量は、噴射弁本体２及びニードル３間で一番流路断面積の小さい絞り部５によって決定され、絞り部５の大きさはニードル３のリフト量によって決定される。そして、絞り部５のすぐ下流のニードル３には環状にキャビテーション室６が形成されている。キャビテーション室６は、ニードル３の中心軸線に略垂直な端面７と、ニードル３の中心軸線に略平行な側面８とによって形成される環状の凹部である。
【００１４】
図２は、キャビテーション室６を説明するため、図１に示すＡ部を拡大した断面図である。図２を参照しながら、旋回流の生成とそれによって生成されるキャビテーションの生成について説明する。矢印は燃料噴射時における燃料の流れを表している。噴射弁本体２及びニードル３間の燃料の流れは、図に示されるように、キャビテーション室６の入口角部６ａで剥離し、剥離した流れがキャビテーション室６内で剥離渦を形成する。その剥離渦によってキャビテーション室６内には負圧が発生する。その結果、キャビテーション室６にキャビテーションが発生し、それがキャビテーション室６下流へ移動する。キャビテーションが消滅するときに発生する衝撃圧力によって燃料の流れに乱れを与え、燃料噴霧の微粒化が促進される。
【００１５】
ここで、最大リフト状態を示す図１に示されるニードル３において、端面７とニードル３先端部との距離ｈ１と、キャビテーション室６を形成する側面８の長さであるキャビテーション室６の深さｈ２と、キャビテーション室６を形成する端面７の径方向の長さであるキャビテーション室６の幅ｗとが、以下の式（１）及び式（２）の関係を満たす場合に、キャビテーションの生成量が非常に大きいことが実験及び計算によって判明した。
ｈ２＜ｈ１×０．５      ・・・（１）
ｗ＜ｈ２      ・・・（２）
【００１６】
更に、ニードル３の最大リフト状態のリフト量、即ち最大リフト量を変化させることによって、キャビテーションの生成量を制御することが可能となる。具体的には、高負荷運転時に混合気の均質度向上のため燃料噴霧の貫徹力（ペネトレーション）が必要である場合には、貫徹力を減少させるキャビテーションが発生しないように、最大リフト量を大きくする。それにより、噴射弁本体２によって形成されるキャビテーション室６近傍の空間が大きくなり、キャビテーション室６に生じる負圧が減少し、キャビテーションの生成量が少なくなる。一方、低負荷運転時等、燃料噴霧の貫徹力（ペネトレーション）がそれほど必要ではない場合には、微粒化を促進するキャビテーションの生成量を増加させるため、最大リフト量を小さくする。それにより、噴射弁本体２によって形成されるキャビテーション室６近傍の空間が小さくなり、キャビテーション室６に生じる負圧が増大し、キャビテーションの生成量が増大する。
【００１７】
なお、上記式（１）及び式（２）の関係はキャビテーション室６の形状や、例えば粘性等の燃料の性状によっても異なるので、個々に実験及び計算によって最適な関係を求めることが望ましい。
【００１８】
図３は、本発明の別の実施形態による内燃機関の燃料噴射弁先端部の概略縦断面図である。図３に示される燃料噴射弁１は、図１に示される燃料噴射弁１とは、ニードル３の構造において異なる。即ち、図３に示される実施形態のニードル３は、アウターニードル１０とインナーニードル１１とからなる。円筒状のアウターニードル１０が中実のインナーニードル１１の外側に同軸に配置され、噴射弁本体２内でそれぞれ独立して往復動可能とされている。
【００１９】
従って、アウターニードル１０及びインナーニードル１１のいずれか一方又は両方を制御することでアウターニードル１０からのインナーニードル１１の突出量を制御し、それによって、キャビテーション室６の形状、即ち、キャビテーション室６の深さｈ２を制御することが可能となる。
【００２０】
ここで、図１に示されるニードル３と同様に、キャビテーション室６は、アウターニードル１０の中心軸線に略垂直な先端面１０ａと、インナーニードル１１の中心軸線に略平行な側面１１ａとによって形成される環状の凹部である。先端面１０ａとインナーニードル１１先端部との距離ｈ１と、キャビテーション室６を形成する側面１１ａの長さであるキャビテーション室６の深さｈ２と、キャビテーション室６を形成する先端面１０ａの径方向の長さであるキャビテーション室６の幅ｗとが、上記式（１）及び式（２）の関係を満たす場合に、キャビテーションの生成量が非常に大きいことが実験及び計算によって判明した。
【００２１】
例えば、アウターニードル１０からのインナーニードル１１の突出量が上記式（１）及び式（２）を満たす状態で、アウターニードル１０を固定しインナーニードル１１を下降させると、キャビテーション室６の深さｈ２が大きくなる。そうすると、絞り部５は不動であるため流量にほとんど変化はないが、キャビテーション室６の体積がその分大きくなり、それによって剥離渦９によって生じる負圧が減少する。即ち、キャビテーション室６の深さｈ２が上記式（１）及び（２）の関係を満たさなくなることから、キャビテーションの生成量も減少し、結果として貫徹力（ペネトレーション）を大きくすることが可能となる。
【００２２】
即ち、アウターニードル１０からのインナーニードル１１の突出量を制御することによって、キャビテーション室６の深さｈ２を制御することが可能となり、キャビテーションの生成量を制御することが可能となる。
【００２３】
具体的には、高負荷運転時に混合気の均質度向上のため燃料噴霧の貫徹力（ペネトレーション）が必要である場合には、貫徹力を減少させるキャビテーションが発生しないように、キャビテーション室６の深さｈ２が大きくなるようにアウターニードル１０からのインナーニードル１１の突出量を制御する。一方、低負荷運転時等、燃料噴霧の貫徹力（ペネトレーション）がそれほど必要ではない場合には、微粒化を促進するキャビテーションの生成量を増加させるため、キャビテーション室６の深さｈ２が、例えば上記式（１）及び式（２）を満たすようなアウターニードル１０からのインナーニードル１１の突出量を制御する。
【００２４】
図４は、後述する図５に示す本発明の別の実施形態による内燃機関の燃料噴射弁に用いられる、インナーニードル１１の中心軸線に対して垂直な平面における概略横断面図を示す。本実施形態に用いられるインナーニードル１１は、２本の貫通路１２を有し、これら貫通路１２の中心軸線はインナーニードル１１の中心軸線上で直交し、インナーニードル１１の中心軸線及び２本の貫通路１２の各中心軸線はすべて互いに直交している。また、一方の貫通路１２は、スリット噴孔４のスリット方向と平行に配置されている。図５に示される燃料噴射弁１は、インナーニードル１１以外、図３に示される燃料噴射弁１と同じ構成である。
【００２５】
図５（Ａ）は、インナーニードル１１の貫通路１２がアウターニードル１０によって遮蔽された閉位置を示し、図５（Ｂ）は、インナーニードル１１の貫通路１２がアウターニードル１０によって遮蔽されておらず、キャビテーション室６を連通する開位置を示す。アウターニードル１０からのインナーニードル１１の突出量を制御することによって、開位置と閉位置とを切り替え制御することができる。
【００２６】
図５（Ｂ）に示す開位置とされた場合、キャビテーション室６に形成された剥離渦９が、貫通路１２内を螺旋状の流れとなって行き来する。それによって貫通路１２内に発生したキャビテーションはより強くなり、環状のキャビテーション室６全体に均質に分散し、キャビテーションの生成量がより増加し、燃料噴霧の微粒化が促進される。
【００２７】
具体的には、高負荷運転時に混合気の均質度向上のため燃料噴霧の貫徹力（ペネトレーション）が必要である場合には、貫徹力を減少させるキャビテーションが発生しないように又は発生しにくいように図５（Ａ）に示される閉位置となるようにアウターニードル１０からのインナーニードル１１の突出量を制御する。一方、低負荷運転時等、燃料噴霧の貫徹力（ペネトレーション）がそれほど必要ではない場合には、図５（Ｂ）に示される開位置となるようにアウターニードル１０からのインナーニードル１１の突出量の制御を行い、貫通路１２の作用を利用してキャビテーションをより多く発生させ、燃料噴霧の微粒化を行う。
【００２８】
本実施形態において、インナーニードル１１内に２本の貫通路１２を設けたが、１本又は３本以上の貫通路１２を設けてもよい。また、上記実施形態において、絞り部５はアウターニードル１０及び噴射弁本体２間に形成されたが、インナーニードル１１及び噴射弁本体２間に形成されてもよい。即ち、この場合には、インナーニードル１１を固定し、アウターニードル１０のリフト量を変更することで、噴射燃料量を一定にしつつ、キャビテーションの生成量を制御することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】内燃機関の燃料噴射弁先端部の概略縦断面図である。
【図２】図１に示すＡ部の拡大断面図である。
【図３】内燃機関の燃料噴射弁先端部の概略縦断面図である。
【図４】インナーニードルの概略横断面図である。
【図５】内燃機関の燃料噴射弁先端部の概略縦断面図である。
【符号の説明】
【００３０】
１    燃料噴射弁
２    噴射弁本体
４    スリット噴孔
５    絞り部
６    キャビテーション室
１０    アウターニードル
１１    インナーニードル
【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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