JP2012036865A - 噴射ノズル - Google Patents

Abstract

【課題】高噴霧角度で噴霧むらを防止でき、噴射量制御により無駄な噴射を抑え得る、燃費悪化や排出ガス性能の低下を防止できる低コストで高性能の噴射ノズルを提供する。
【解決手段】バルブニードル２０と、これを変位可能に収納するノズルボディ１０とを備え、ノズルボディ１０には、噴孔１１ａに燃料を導入する燃料通路３０が形成されるとともに、バルブニードル２０との間で燃料通路３０の一部を開閉する錐面状のバルブシート部１２が設けられ、ノズルボディ１０は、バルブシート部１２を構成する円錐面１３と、噴孔１１ａが開口する凹壁面１４と、円錐面１３および凹壁面１４の間で軸方向に対し略平行に延在する筒状面１５とを有する内壁面１６を形成している。なお、軸方向における筒状面１５の長さは、凹壁面１４および筒状面１５によって形成されるサック室１７の直径Ｄｓｃに対して３５％を超えかつ５０％以下となる範囲内に設定されるのがよい。
【選択図】図１

Description

本発明は、流体を噴射する噴射ノズル、特に液体を噴霧状にして噴射する噴孔の近傍にその噴孔が開口する液溜り室を有する噴射ノズルに関する。

ノズル先端部の噴孔の近傍にその噴孔が開口する液溜り室（以下、サック室という）を有する噴射ノズルは、例えば車両用内燃機関の燃料噴射ノズルに使用されている。また、車両用内燃機関の燃料噴射ノズルにおいては、一般に、燃料噴霧が微粒化されるようになっている。

この種の噴射ノズルとしては、例えば車両用内燃機関の燃料噴射ノズルにおいて、バルブニードルの先端側の外周面とノズルボディとの間に環状隙間を形成する一方、バルブニードルの先端側の中心部分に開弁時に噴孔に連通する燃料通路孔を形成し、燃料通路孔への燃料供給圧力に応じたバルブニードル先端部の弾性変形により前記環状隙間を変化させることで、高圧燃料の低圧部への漏れを防止するようにしたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、噴射燃料に旋回力を付与する旋回通路がニードル先端部の近傍に配置された円筒部材とノズルボディの間に形成されるとともに円筒部材の内周面に開口することで、ニードルのリフト量が小さいときにはその旋回通路の通路断面積が小さくなり、ニードルのリフト量が大きいときにはその旋回通路の通路断面積が大きくなるようにして、噴射量のダイナミックレンジを大きくした噴射ノズルも知られている（例えば、特許文献２参照）。

さらに、隣り合う２つの噴孔の入口部を近接させて各噴孔内で旋回流を形成し、低噴射領域において低貫徹力および高噴霧角度（広噴霧角度）の燃料噴霧を形成するようにしたものも提案されている（例えば、特許文献３参照）。

特開２００１−２２１１３２号公報 特開平１０−２８８１３０号公報 特開２００３−１６１２３０号公報

しかしながら、上述のような従来の噴射ノズルにあっては、ノズルボディへの複数の噴霧孔加工が必要で、燃料噴霧の微粒化を促進するために広噴霧角とする場合には噴孔の総開口面積を大きくする必要があったり、燃料の旋回力を得るためにノズルボディ内に収納される部品の形状を複雑にする必要があったりしていたため、噴射ノズルがコスト高になってしまうという問題があった。加えて、高噴射域での噴射量の確保と低噴射域での高精度の噴射量制御を両立させることが困難になり、内燃機関の燃費向上や排出ガス性能の向上が困難になるという問題があった。

また、噴孔がノズル先端部の内方に設けられたサック室（液溜まり）に開口し、そのサック室の上流側にサック室の内周壁面に対し傾斜した円錐面状のバルブシートが配置される場合、スラッジの発生を抑制したり噴射応答性（開弁時にサック室内に燃料を再充填するのに要する時間）を向上させたりするべくサック室の容積が小さく抑えられていたため、サック室内に流入する燃料の流線がサック室の内周壁面から剥離することで噴孔入口部における燃料流線分布にばらつきが生じてしまい、噴霧角度の低下や噴霧のむらが生じ易くなるという問題があった。

さらに、気筒内に燃料を直接噴射する直噴ガソリンエンジン等では、貫徹力に優れ、エンジン内の気流のアシスト無しでも点火プラグの近傍に可燃混合気を形成できるスリットノズルが使用され始めているが、このスリットノズルにおいても、サック室の容積が小さく抑えられていたため、サック室内に流入する燃料の流線がサック室の内周壁面から剥離することでスリット状の噴孔の入口部における燃料流線の分布にばらつきが生じ易く、噴霧角度の低下や噴霧のむらが生じていた。そのため、エンジンオイルの希釈化や排出ガス性能の低下を招来する可能性があった。

そこで、本発明は、高噴霧角度であって噴霧のむらを確実に防止でき、高精度の噴射量制御により無駄な燃料噴射を抑えることができ、燃費の悪化や排出ガス性能の低下を防止することのできる低コストで高性能の噴射ノズルを提供するものである。

本発明は、上記目的達成のため、（１）バルブニードルと、該バルブニードルを軸方向に変位可能に収納するノズルボディと、を備えた噴射ノズルであって、前記ノズルボディには、流体を噴出する噴孔と該噴孔に前記流体を導入する流体通路が形成されるとともに、前記バルブニードルが前記軸方向に変位するとき該バルブニードルとの間で前記流体通路の一部を開閉するよう前記軸方向に対し傾斜した錐面状のバルブシート部が設けられ、前記ノズルボディが、前記バルブシート部を構成する錐面と、前記噴孔が開口する凹壁面と、前記錐面および前記凹壁面の間で前記軸方向に対し略平行に延在しつつ前記錐面および前記凹壁面に接続する筒状面とを有する内壁面を形成していることを特徴とするものである。
この構成により、バルブシート部を構成する錐面からサック室内に流入する流体がサック室の入口側の筒状面の端部付近で剥離を生じて、渦が生じたりしても、噴孔の入口部での流線が均一にばらける状態、例えば気相と液相が混在する燃料の密度が均一に分布する状態を確保することが可能になり、大きな噴霧角度でしかも噴霧のむらを低減させることができる。したがって、高精度の噴射量制御により無駄な燃料噴射を抑えることができ、燃費の悪化や排出ガス性能の低下を防止することのできる性能の向上した低コストの噴射ノズルとなる。
上記（１）に記載の噴射ノズルは、好ましくは、（２）前記軸方向における前記筒状面の長さが、前記凹壁面および前記筒状面によって形成されるサック室の直径に対して３５％を超えかつ５０％以下となる範囲内に設定されていることを特徴とするものである。

この構成により、筒状面の長さはサック室の半径に近いものとなり、噴孔の入口部での流線が均一にばらける状態を安定して確保することが可能になる。

上記（１）または（２）に記載の噴射ノズルにおいては、（３）前記バルブニードルの外周面と前記ノズルボディの前記内壁面との半径方向の離間距離が、前記バルブシート部より下流側の前記流体通路内で前記噴孔に近付くほど大きくなっていることが好ましい。この構成により、サック室の入口側の筒状面の端部付近で剥離が生じてもサック室内に大きな渦が生じ難くなり、流線の束状の偏りや曲がり難さが抑えられることで、噴孔の入口部で流線が均一にばらける状態が助長される。

上記（１）〜（３）のいずれに記載の噴射ノズルにおいても、（４）前記バルブニードルが、前記ノズルボディの錐面より前記サック室側に前記筒状面の長さ以上に及んで挿入される先端凸状部を有することが好ましい。この構成により、バルブニードルのリフト量が変化してもサック室の入口側から噴孔の入口部までの間の流体通路の断面積をバルブニードルのリフト量に応じた適度な範囲内に維持することができる。

上記（４）に記載の噴射ノズルにおいては、（５）前記先端凸状部は、前記軸方向に対する外周面の傾斜方向が前記ノズルボディの前記錐面と同一方向で、かつ、前記軸方向に対する外周面の傾斜角度が前記ノズルボディの前記錐面の傾斜角度より小さくなっているのがよい。この構成により、サック室内の流体が流線の均一なばらつき状態で噴孔の入口部に誘導され易くなる。

上記（４）または（５）に記載の噴射ノズルにおいては、（６）前記ノズルボディの前記凹壁面および前記バルブニードルの前記先端凸状部の先端面がそれぞれ略半球面状に形成され、前記噴孔が前記先端凸状部の先端面に対向する位置で前記凹壁面上に開口していることが好ましい。この構成により、噴孔がバルブニードルの軸線に対し傾斜した軸線を有している場合であっても、サック室の入口側から噴孔の入口部までの間の流体通路の断面積をバルブニードルのリフト量に応じた適度な範囲内に容易に設定できる。なお、凹壁面上の噴孔の開口中心がバルブニードルおよびノズルボディの中心軸線上に位置していてもよいし、その中心軸線上から径方向にオフセットしていてもよい。

上記（１）〜（６）のいずれに記載の噴射ノズルにおいても、（７）前記噴孔が、スリット状の噴孔であることが好ましい。この構成により、スリット状の噴孔から噴射される流体の液膜振動による***と周囲気体からの剪断力によって微粒化が助長される一方で、高貫徹力の噴霧が形成可能となり、しかも、スリット状の噴孔の拡開方向両側に高噴出角度となる部分を生じさせるとともにその拡開方向両端での流体流速を適度に抑制し、高貫徹力の好ましい噴霧形状を得ることが可能になる。

上記（７）に記載の噴射ノズルにおいては、（８）前記噴孔が、前記ノズルボディの先端側の壁部を前記軸方向に対し第１の傾斜角だけ傾斜した傾斜軸線方向に貫通するとともに、前記傾斜軸線方向および前記軸方向に対し直交する方向の両側にそれぞれ前記第１の傾斜角より大きい第２の傾斜角だけ拡開した略扇形をなしていることが好ましい。この構成により、高噴霧角度（高分散）および高貫徹力でむらのない噴霧を形成でき、例えば火花点火式内燃機関の気筒内においてスワール等の気流のアシスト無しでも点火プラグの近傍に緻密に濃度制御可能な可燃混合気を形成可能となる。

上記（１）〜（８）のいずれに記載の噴射ノズルにおいても、（９）前記噴孔から内燃機関の気筒の内部に前記内燃機関の燃料を噴射することが好ましい。この構成により、高噴霧角度でむらのない燃料噴霧を形成し、燃料噴霧の微粒化を促進して、筒内噴射を行う内燃機関の燃費や排気浄化性能を向上させることが可能になる。

本発明によれば、ノズルボディの内壁面のうち筒状面の長さがサック室の半径に近くなるようにして、バルブシート部を構成する錐面からサック室内に流入する流体がサック室の入口側の筒状面の端部付近で剥離を生じても、噴孔の入口部での流線が均一にばらける状態を確保するようにしているので、高噴霧角度であって噴霧のむらを確実に防止でき、高精度の噴射量制御により無駄な燃料噴射を抑えることができ、燃費の悪化や排出ガス性能の低下を防止することのできる低コストで高性能の噴射ノズルを提供することができる。

本発明の一実施形態に係る噴射ノズルの要部拡大断面図である。 図１のII−II矢視断面図を含む本発明の一実施形態の噴射ノズルの要部概略構成図である。 図３（ａ）は、本発明の一実施形態に係る噴射ノズルにおける流体通路の各位置における断面積の変化を説明する説明図であり、図３（ｂ）は、噴孔を有する一実施形態の噴射ノズルの先端部形状に応じてその噴孔の拡開面であるＪＫ面上に定義される複数の円筒面および噴霧角度方向と噴孔出口側におけるＪＫ流速および噴出角度との説明図である。 図４（ａ）は、本発明の一実施形態に係る噴射ノズルの噴孔入口部における流線分布の説明図であり、図４（ｂ）は、比較例の噴射ノズルの噴孔入口部における流線分布の説明図である。 図５（ａ）は、本発明の一実施形態の噴射ノズルにおけるスリット状噴孔の拡開方向両端側におけるＪＫ流速の抑制効果を示すグラフで、縦軸が比較例に対するＪＫ流速比を、横軸が矢視分割数の単位で表した噴霧角度をそれぞれ示しており、図５（ｂ）は、本発明の一実施形態の噴射ノズルにおける噴霧角度の増大効果を示すグラフで、縦軸が比較例に対する噴出角度比を、横軸が矢視分割数の単位で表した噴霧角度をそれぞれ示している。 本発明の一実施形態の噴射ノズルにおける筒状面の長さＨ１とその長さに対する噴霧角度の増大効果の関係を示すグラフで、縦軸は比較例に対する噴出角度比を、横軸は筒状面長さＨ１をそれぞれ示している。

以下、本発明の好ましい実施形態について、図面を参照しつつ説明する。

図１および図２は、本発明の一実施形態に係る噴射ノズルの概略構成を示している。

なお、本実施形態の噴射ノズルは、本発明をポート噴射と筒内噴射（気筒内直接噴射）とを実行するデュアル噴射方式のガソリンエンジン（内燃機関；以下、単にエンジンという）において、気筒内に直接燃料を噴射する筒内噴射用のインジェクタ（燃料噴射弁）に適用したものであり、そのエンジンの各気筒に対応して設けられている。ただし、本発明は、直噴タイプ以外のインジェクタにも適用できるし、流体を噴霧状に噴射する他の噴射ノズルにも適用できるものである。

まず、本実施形態の構成について説明する。

図１および図２に示すように、本実施形態の噴射ノズルを構成するインジェクタ１は、スリット状の噴孔１１ａが形成された先端部１１およびその近傍に位置する略円錐面状のバルブシート部１２（図２中にクロスハッチングで示す部分）を有する有底筒状のノズルボディ１０と、バルブシート部１２に着座可能な弁体部２１および先端側でこの弁体部２１を支持する軸部２２を有し、ノズルボディ１０内に軸方向に変位可能に収納されたバルブニードル２０と、を備えている。このインジェクタ１のノズルボディ１０およびバルブニードル２０の間には、燃料（流体）であるガソリンを導入して噴孔１１ａから噴出させることができる燃料通路３０（流体通路）が形成されており、燃料通路３０は少なくとも弁体部２１の近傍で環状の横断面を有している。

ノズルボディ１０の先端部１１は、エンジンの各気筒２内の燃焼室（詳細図示せず）の上部側（圧縮行程後期のピストンヘッドよりわずかに上方）に各気筒２の内方、例えば略半径方向で斜下方向きに突出および露出するよう凸形状をなしており、その先端面１１ｂに薄い扇形の噴孔１１ａが矩形状に開口している。

また、ノズルボディ１０のバルブシート部１２は、バルブニードル２０がその軸方向に変位するときにバルブニードル２０の弁体部２１との間で燃料通路３０の一部を開閉する弁座となっており、ノズルボディ１０の軸方向（中心軸線Ｃｎの延在方向）に対して一定角度（例えば、４５°）に傾斜した凹円錐面状に形成されている。そして、このバルブシート部１２にバルブニードル２０の弁体部２１の外周面の一部である円錐面状のバルブフェース２１ａが係合および離脱することで、燃料通路３０の一部が気密的に閉止および開放されるようになっている。

より具体的には、ノズルボディ１０は、バルブシート部１２により一部が形成される円錐面１３と、噴孔が開口する凹球面状の凹壁面１４と、円錐面１３および凹壁面１４の間でノズルボディ１０の軸方向に対し略平行に延在しつつその両端で円錐面１３および凹壁面１４に接続する筒状面１５と、を有している。これら円錐面１３、凹壁面１４および筒状面１５は、ノズルボディ１０の内壁面１６のうちバルブシート部１２の近傍から噴孔１１ａまでの下流側の通路区間を構成している。

また、ノズルボディ１０の凹壁面１４および筒状面１５は、円錐面１３と噴孔１１ａとの間に、中心軸線Ｃｎに沿う縦断面が円錐面１３側で方形断面となり噴孔１１ａ側で略半円形断面となるサック室１７を形成している。

バルブニードル２０の外周面２０ａとノズルボディ１０の内壁面１６との半径方向（図１中の左右方向）の離間距離は、バルブシート部１２より下流側の燃料通路３０内において噴孔１１ａに近付くほど大きくなっている。

図３（ａ）に模式的に示すように、バルブニードル２０の外周面２０ａとノズルボディ１０の内壁面１６との間に形成される燃料通路３０は、バルブシート部１２より下流側（通路位置Ｐ０より下流側）の区間におけるその通路断面積がバルブシート部１２より上流側の区間におけるその通路断面積より小さくなっている。また、燃料通路３０は、バルブシート部１２より下流側、特にサック室１７内において、噴孔１１ａの入口部の位置Ｐ５ａ，Ｐ５ｂに達するまで噴孔１１ａの断面積より十分に大きい一定通路面積以上となるように形成されている。

なお、図３（ａ）の中央部に示す破線Ｓ１は、図１に実線で示す開弁状態より大開度で開弁しているときのバルブシート部１２の近傍における燃料通路３０の通路断面積の変化を示しており、図３（ａ）の中央部に示す二点鎖線Ｓ２は、図１に実線で示す開弁状態より小開度で実質的に閉弁しているとき（図１中に二点差線で示す弁***置のとき）のバルブシート部１２の近傍における燃料通路３０の通路断面積の変化を示している。また、図３（ａ）中に示す通路位置Ｐ０〜Ｐ６ａ（Ｐ６ｂ）は、図１中に示す通路位置Ｐ０〜Ｐ６ａ（Ｐ６ｂ）に対応するものである。

また、ノズルボディ１０の先端部１１の噴孔１１ａは、ノズルボディ１０の先端部１１を構成する錐壁部分を、ノズルボディ１０の軸方向に対し第１の傾斜角α（図２参照）だけ傾斜した傾斜軸線方向に略一定のスリット厚さｔを保って貫通するとともに、その傾斜軸線方向およびバルブニードル２０の軸方向に対し直交する方向（図１の左右方向）の両側にそれぞれ第１の傾斜角αより大きい第２の傾斜角βだけ拡開した略扇形のスリット形状を有している。なお、第１の傾斜角αは、例えばエンジンの気筒内壁に対し略半径方向の斜下方（例えば下方側に３０°の向き）に向けられたインジェクタ１の中心軸線Ｃｎに対して、さらに燃料噴霧の向きを図示しない圧縮行程後期のピストンヘッド上面付近に向けるための下向き（シリンダヘッド側を上側とするとき下側となる向き）寄りの傾斜角度であり、例えば１０°以内の角度である。

さらに、バルブシート部１２は、ノズルボディ１０の中心軸線Ｃｎを中心とする外側および上流端側の直径Ｄｖ１と内側および下流端側の直径Ｄｖ２とを有する円錐面状のシート面１２ａ（弁座面；図２参照）を形成しており、シート面１２ａの内側および下流端側の直径Ｄｖ２は、サック径Ｄｓｃより大径となっている。

また、ノズルボディ１０には、バルブシート部１２の外側および上流端側の直径Ｄｖ１より内径が大きいニードル収納孔１８が形成されており、ニードル収納孔１８の略円筒状の筒状内壁面１８ａに対し一定角度、例えば４５°の傾斜角度をなして円錐面上に傾斜する円錐面１３の一部によって、シート面１２ａが形成されている。なお、ノズルボディ１０の筒状内壁面１８ａと円錐面１３との接続部分や、円錐面１３と筒状面１５との接続部分は、図中では屈曲しているが、湾曲させてもよい。

バルブニードル２０の先端側に設けられた弁体部２１のバルブフェース２１ａは、ノズルボディ１０の中心軸線Ｃｎと一致するバルブニードル２０の中心軸線（以下、共に中心軸線Ｃｎという）に対して傾斜角θｖ１をなしている。また、バルブニードル２０の弁体部２１は、このバルブフェース２１ａよりもバルブニードル２０の先端側に、バルブニードル２０の中心軸線Ｃｎに対して傾斜角θｖ１と同方向に傾斜角θｖ２をなす中間傾斜面２１ｂと、この中間傾斜面２１ｂよりもバルブニードル２０の先端側で中心軸線Ｃｎに対して傾斜角θｖ１と同方向に小さい傾斜角θｖ３をなす先端側傾斜面２１ｃと、を有している。すなわち、弁体部２１は、噴孔１１ａに対向するバルブニードル２０の先端側で噴孔１１ａに近付くほど小径となっている。

ここで、弁体部２１の中間傾斜面２１ｂは、バルブニードル２０のリフト量が大きいときにはノズルボディ１０の軸方向において円錐面１３の範囲内に位置するが、バルブニードル２０のリフト量が小さいときには、ノズルボディ１０の軸方向において円錐面１３から筒状面１５に内壁面１６が屈曲する位置Ｐ２を越えて、中間傾斜面２１ｂの先端部がサック室１７内に進入する。また、弁体部２１の先端側傾斜面２１ｃは、バルブニードル２０のリフト量の大小にかかわらず、少なくともその一部が常時サック室１７内に挿入された状態となっており、筒状面１５との間で燃料通路３０の一部を形成している。さらに、弁体部２１の中間傾斜面２１ｂと先端側傾斜面２１ｃとの接続部分は、サック室１７の入口側における弁体部２１の先端側傾斜面２１ｃと筒状面１５との離間距離程度の曲率半径で湾曲した環状湾曲面となっている。

弁体部２１のバルブフェース２１ａは、弁体部２１がニードル収納孔１８の内底部であるノズルボディ１０の先端部１１に接近するようにバルブニードル２０が軸方向変位するとき、バルブシート部１２のシート面１２ａに当接する。そして、弁体部２１とバルブシート部１２との当接時に、両者間の燃料通路３０が噴孔１１ａの近傍で気密的に閉止されるようになっている。

ノズルボディ１０のバルブシート部１２の軸方向長さ（高さ）Ｈｂ０は、バルブニードル２０のバルブフェース２１ａの軸方向長さ（高さ）Ｈｖ０と略同等になっており、バルブシート部１２からサック室１７の入口までの円錐面１３の下部１３ｅの高さＨｂ１は、バルブニードル２０の中間傾斜面２１ｂの軸方向長さＨｖ１と等しくなっている。

中心軸線Ｃｎに対するバルブフェース２１ａの傾斜角度θｖ１は、中心軸線Ｃｎに対する円錐面１３の傾斜角度θｓよりわずかに（例えば、１°以下の差で）大きくなっており、バルブニードル２０のバルブフェース２１ａとバルブシート部１２のシート面１２ａとがそれらの外側および上流端側の部分で互いに圧接するようになっている。また、中心軸線Ｃｎに対する中間傾斜面２１ｂの傾斜角度θｖ２は、中心軸線Ｃｎに対する円錐面１３の傾斜角度θｖ１より十分に大きくなっている。

また、ノズルボディ１０の軸方向における筒状面１５の長さＨｂ２は、略凹球面状の凹壁面１４および略円筒面状の筒状面１５によって形成されるサック室１７の直径（以下、サック径という；図２参照）Ｄｓｃに対して３５％を超える長さであって、サック室１７の直径に対して５０％以下となる長さの範囲内に設定されている。ここで、サック室１７の深さは、筒状面１５の長さＨｂ２と凹壁面１４の曲率半径Ｒｓｃとの和に相当し、凹壁面１４の曲率半径Ｒｓｃは、サック径Ｄｓｃの約１／２の長さである。

一方、バルブニードル２０の弁体部２１の先端側傾斜面２１ｃは、ノズルボディ１０の円錐面１３よりサック室１７側に筒状面１５の長さ以上に及んで挿入される先端凸状部２１ｐの外周面を構成しており、この先端側傾斜面２１ｃは、バルブニードル２０の軸方向（軸部２２の中心軸線方向）に対する傾斜方向がノズルボディ１０の円錐面１３と同一方向となっている。ここで、バルブニードル２０の軸方向に対する先端側傾斜面２１ｃの傾斜角度θｖ３は、ノズルボディ１０の円錐面１３の傾斜角度θｓより小さくなっているが、径方向に対向するノズルボディ１０の内壁面１６に対して内側に傾斜する角度（下流側ほど開くように傾斜する角度）はバルブニードル２０のバルブフェース２１ａがバルブシート部１２のシート面１２ａに対して内側に傾斜する角度（例えば、１°以下）より大きくなっている。

ノズルボディ１０の凹壁面１４およびバルブニードル２０の先端凸状部２１ｐの先端面２１ｄは、それらの半径が大小に異なる略半球面状に形成されており、スリット状の噴孔１１ａの内端は、先端凸状部２１ｐの先端面２１ｄ（図１参照）に対向する位置で凹壁面１４上に開口している。

ノズルボディ１０の軸方向における凹壁面１４の曲率中心位置から凹壁面１４上の噴孔１１ａの開口幅方向両端位置までの離間距離Ｈｂ３は、バルブニードル２０が閉弁位置にあるときのサック室１７の入口から先端凸状部２１ｐの先端面２１ｄの頂点までの軸方向高さＨｖ２よりも大きくなるように設定されている。

また、ノズルボディ１０およびバルブニードル２０は、図１中にはそれぞれの先端部のみを示しているが、バルブニードル２０の上端部又は軸方向中間部分は、例えばバルブニードル２０とノズルボディ１０の間に縮設された圧縮ばね４１（付勢手段）によりバルブニードル２０の軸方向一方側、例えば閉弁方向である図２中の下方側に常時付勢されている。

より具体的には、ノズルボディ１０の上端部（上下方向は図２中の上下方向をいう）又は軸方向中間部には電磁コイル（ピエゾ素子でもよい）４２が収納されており、その内方に、バルブニードル２０の上端部又は軸方向中間部分に装着された可動プランジャ４３と、ノズルボディ１０側に固定された固定プランジャ４４とが、それぞれ収納されている。そして、圧縮ばね４１は可動プランジャ４３と固定プランジャ４４の間に縮設されることで、バルブニードル２０を閉弁方向に付勢している。また、電磁コイル４２は図示しない導線を介して通電されたとき、可動プランジャ４３と固定プランジャ４４を通る磁気回路を形成して可動プランジャ４３によりバルブニードル２０を圧縮ばね４１の付勢力に抗して開弁方向に付勢させることができるようになっており、これら圧縮ばね４１、電磁コイル４２、可動プランジャ４３および固定プランジャ４４によって弁開閉駆動手段４０が構成されている。この弁開閉駆動手段４０の電磁コイル４２への通電は、図外の電子制御ユニット（以下、ＥＣＵという）からの開弁信号によって、要求される燃料噴射量に応じた弁開度となるようにデューティー制御されるようになっている。なお、このような弁開閉駆動方式自体は公知であるので、これ以上詳述しない。

燃料通路３０は図外のデリバリーパイプ内に連通しており、このデリバリーパイプを介して図外の燃料ポンプから吐出された燃料がデリバリーパイプ内に蓄圧・貯留され、燃料通路３０内に所定の燃圧で供給されるようになっている。したがって、ＥＣＵによって弁開閉駆動手段４０の電磁コイル４２に対して要求燃料噴射量に応じたデューティー比での通電制御がなされるとき、エンジンの複数の気筒の筒内にインジェクタ１によって燃料が噴射され、さらに、図示しないポート噴射用のインジェクタによって選択的に各気筒に対応する吸気ポート内に必要な量の燃料が噴射される。

なお、前記ＥＣＵは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、不揮発性メモリ等を利用するバックアップメモリ、図示しない入力インターフェース回路および出力インターフェース回路等を含んで構成されている。そして、ＥＣＵの入力インターフェース回路には、エアフローメータ、回転数センサおよびスロットルセンサと、図示しない酸素センサ、気筒判別センサ、吸気温センサ、水温センサ等のセンサ群が接続されており、これらセンサ群からのセンサ情報がＥＣＵに取り込まれるようになっている。また、ＥＣＵの出力インターフェース回路には、インジェクタと、図示しない点火プラグを駆動するイグナイタと、前記燃料ポンプの駆動回路等が接続されている。

次に、本実施形態の作用について説明する。

上述のように構成された本実施形態の燃料噴射弁では、図外の燃料ポンプから吐出された燃料がデリバリーパイプを介して燃料通路３０内に所定の燃圧で供給される一方、ＥＣＵによって噴射時期のインジェクタ１の弁開閉駆動手段４０に対し要求噴射量に応じたデューティー比での通電制御がなされるとき、そのインジェクタ１から対応する気筒内に必要量の燃料が噴射される。

すなわち、まず、ＥＣＵからの開弁信号によって弁開閉駆動手段４０の電磁コイル４２に通電がなされ、バルブニードル２０の弁体部２１とノズルボディ１０の先端部１１とが当接した閉弁状態（図１中に二点鎖線で示す状態）から、バルブニードル２０の上昇による開弁動作が開始され、弁体部２１のバルブフェース２１ａがバルブシート部１２のシート面１２ａから離れて燃料通路３０を通してサック室１７内に燃料が充填されるとともに、噴孔１１ａから燃焼室内に燃料が噴射される。

このとき、サック室１７の入口側に位置する筒状面１５の長さがサック室１７の半径Ｒｓｃに近いものとなっていることから、バルブシート部１２を構成する円錐面１３からサック室１７内に流入する流体がサック室１７の入口側の筒状面１５の端部付近で剥離を生じたり渦を生じたりしても、噴孔１１ａの入口部付近での流線が均一にばらける状態、例えば気相と液相が混在する燃料の密度が比較的均一に分布する状態を確保することが可能になり、噴孔１１ａから噴出する略扇形の噴霧を大きな噴霧角度で噴出させるとともにその噴霧のむらを低減させることができる。したがって、高精度の噴射量制御により無駄な燃料噴射を抑えることができ、燃費の悪化や排出ガス性能の低下を防止することのできる低コストのインジェクタ１となる。

また、本実施形態においては、バルブニードル２０の外周面２０ａとノズルボディ１０の内壁面１６との半径方向の離間距離が、バルブシート部１２より下流側の燃料通路３０内で噴孔１１ａに近付くほど大きくなっており、バルブシート部１２より下流側の燃料通路３０の断面積がバルブニードル２０のリフト量にかかわらず噴孔１１ａの近傍に達するまで徐々に増加する程度に必要な通路断面積が確保されることになり、サック室１７の入口側の筒状面１５の端部付近で剥離が生じても、サック室１７内に大きな渦が生じ難くなり、流線の束状の偏りや曲がり難さが抑えられることで、噴孔１１ａの入口部で流線が均一にばらける状態が助長されることになる。

図３（ｂ）に示すように、噴孔１１ａを有する本実施形態のインジェクタ１（噴射ノズル）の先端部１１の形状に応じて、その噴孔１１ａの拡開面であるＪＫ面上に定義される複数の円筒面および噴霧の噴出角度方向を考え、噴孔１１ａの出口側におけるＪＫ流速および噴出角度を比較例と対比して解析・検討すると、図４（ａ）および図４（ｂ）に示すような結果となった。

本実施形態に係る噴射ノズル１の噴孔１１ａの入口部における流線分布は図４（ａ）に示し、比較例の噴射ノズルの噴孔入口部における流線分布は図４（ｂ）に示している。

これらの図から明らかなように、図４（ｂ）に示す比較例では、シート面出口付近ｂ１での流線束の影響から同図中に左下向きの白抜き矢印で示すような流れ成分が強くなり、噴孔の拡開方向の中央部に流線が偏るとともに噴孔の拡開方向両端側における噴霧のむらが大きくなってしまう。これに対し、本実施形態では、図４（ａ）に示すように、白抜き矢印の流れ成分に対するシート面出口付近ａ１での流線束の影響が抑えられ、流線の噴孔１１ａ側への曲がり難さが解消され、噴孔１１ａの入口部で流線が均一にばらける状態が得られている。

本実施形態では、さらに、バルブニードル２０が、ノズルボディ１０の円錐面１３よりサック室１７側に筒状面１５の長さ以上に及んで挿入される先端凸状部２１ｐを有するので、バルブニードル２０のリフト量が変化してもサック室１７の入口側から噴孔１１ａの入口部までの間の燃料通路３０の断面積をバルブニードル２０のリフト量に応じた適度な範囲内に維持することができる。しかも、先端凸状部２１ｐの外周面である先端側傾斜面２１ｃの中心軸線Ｃｎに対する傾斜方向が中心軸線Ｃｎに対するノズルボディ１０の円錐面１３の傾斜方向と同一方向で、かつ、その傾斜角度がノズルボディ１０の円錐面１３の傾斜角度θｓより小さくなっているので、サック室１７内の流体が流線の均一なばらつき状態で噴孔１１ａの入口部に誘導され易くなる。

加えて、ノズルボディ１０の凹壁面１４およびバルブニードル２０の先端凸状部２１ｐの先端面２１ｄがそれぞれが略半球面状に形成され、噴孔１１ａが先端凸状部２１ｐの先端面２１ｄに対向する位置で凹壁面１４上に開口しているので、噴孔１１ａが中心軸線Ｃｎに対し傾斜した軸線を有しているものの、サック室１７の入口側から噴孔１１ａの入口部までの間の燃料通路３０の断面積をバルブニードル２０のリフト量に応じた適度な範囲内に容易に設定できる。

本実施形態においては、特に、噴孔１１ａがスリット状であることから、スリット状の噴孔１１ａから噴射される燃料の液膜振動による***と周囲の気体からの剪断力とによって微粒化が助長される一方で、高貫徹力の噴霧が形成可能となる。しかも、図５（ｂ）に比較例との噴出角度比を示すように、スリット状の噴孔１１ａの拡開方向両側（同図中の点線Ｚ２で囲む領域）に高噴出角度となる部分を生じさせるとともに、図５（ａ）に示すように、その拡開方向両端付近（同図中の点線Ｚ１で囲む領域）での燃料の流速を適度に抑制しているので、高貫徹力でありながら噴射燃料の壁面付着を抑えることのできる好ましい噴霧形状を得ることができる。

また、噴孔１１ａが、ノズルボディ１０の先端部１１を中心軸線Ｃｎに対し第１の傾斜角αだけ傾斜した傾斜軸線方向に貫通するとともに、傾斜軸線方向および軸方向に対し直交する方向の両側にそれぞれ第１の傾斜角αより大きい第２の傾斜角βだけ拡開した略扇形をなしているので、高噴霧角度（高分散）および高貫徹力でむらのない噴霧を形成でき、例えば火花点火式内燃機関の気筒内においてスワール等の気流のアシスト無しでも点火プラグの近傍に緻密に濃度制御可能な可燃混合気を形成することが可能となる。

さらに、インジェクタ１の噴孔１１ａからエンジンの気筒内部に燃料を噴射する、高噴霧角度でむらのない燃料噴霧を形成し、燃料噴霧の微粒化を促進して、筒内噴射を行うエンジンの燃費や排気浄化性能を向上させることができる。

図６は、インジェクタ１の筒状面１５の軸方向長さＨｂ２を変化させた場合に特定の噴霧角度方向（矢視分割数２１付近）で噴孔１１ａの出口において噴出角度がどのように変化するかを分析した結果を示しており、縦軸は、筒状面１５の軸方向長さＨｂ２を従来と同等（サック径に対し３５％未満）にした比較例との噴出角度の比であり、横軸は、筒状面１５の軸方向長さＨｂ２の大きさである。なお、図中の二点鎖線は、点で示す分析データを曲線回帰したものである。

この図から明らかなように、筒状面１５の軸方向長さＨｂ２を従来より大きくし、サック径Ｄｓに対する軸方向長さＨｂ２の比が図中のｒ１以上の大きさにすると、スリット状の噴孔１１ａの拡開方向両側における噴出角度の拡大効果が明確に出現する。ただし、サック径Ｄｓに対する軸方向長さＨｂ２の比が図中のｒ２を超え程度まで増加すると、スリット状の噴孔１１ａの拡開方向両側における噴出角度の拡大効果が低下し始めるとともに、サック室１７の容積の増加によるデメリット（例えば、噴射開始時の燃料充填時間の増大やデポジットの増加）が現れてくる。そこで、複数の特定の噴霧角度方向についてサック径Ｄｓに対する軸方向長さＨｂ２の比ｒ１，ｒ２を観察したところ、比ｒ１を３５％以上とし、比ｒ２を５０％未満にすると、好ましい矢視分割数の範囲内で高噴出角度比が得られた。したがって、ノズルボディ１０の軸方向における筒状面１５の長さＨｂ２は、サック室１７の直径Ｄｓｃに対して３５％を超える長さ、より好ましくは４５％を超える長さであって、このサック径Ｄｓｃに対して５０％以下となる長さの範囲内に設定される。なお、一般に、流体の揮発性が高い場合、燃料の供給圧力に応じたインジェクタ１内のキャビテーションの発生感度が低下する傾向となるが、筒状面１５の設定長さＨｂ２の好ましい範囲に大きな変化はない。

このように、本実施形態においては、ノズルボディ１０の内壁面１６のうち筒状面１５の長さＨｂ２がサック室１７の半径Ｒｓｃに近くなるようにして、バルブシート部１２を構成する円錐面１３からサック室１７内に流入する燃料がサック室１７の入口側の筒状面１５の端部付近で剥離を生じても、噴孔１１ａの入口部での流線が均一にばらける状態を確保するようにしているので、高噴霧角度であって噴霧のむらを確実に防止できる。したがって、高精度の噴射量制御により無駄な燃料噴射を抑えることができ、燃費の悪化や排出ガス性能の低下を防止することのできる低コストで高性能の噴射ノズル１を提供することができる。

なお、上述の一実施形態においては、凹壁面１４上の噴孔１１ａの開口中心がバルブニードル２０およびノズルボディ１０の中心軸線Ｃｎ上に位置していたが、凹壁面１４上の噴孔１１ａの開口中心は、中心軸線Ｃｎ上に位置していてもよいし、その中心軸線Ｃｎ上から径方向にオフセットしていてもよい。

スリット状の噴孔１１ａの厚差ｔは、燃料圧力や要求される貫徹力（噴霧の到達距離）に応じて設定され、拡開方向の第２の傾斜角βは、第１の傾斜角αより大きく、９０°より小さい。ただし、図１中において、Ｈｖ２＜Ｈｂ２＋Ｈｂ３が成立する限り、中心軸線Ｃｎに対してスリット状の噴孔１１ａの拡開方向両端側の内壁面の傾斜角度が９０°となってもよい。

また、上述の一実施形態では、本発明をデュアル噴射方式のエンジンにおける筒内噴射用のインジェクタに適用していたが、本発明はポート噴射用のインジェクタにも適用可能であるし、スリットノズルでなく他形状の噴孔を有する噴射ノズルにも適用可能である。

また、上述の一実施形態では、インジェクタ１は、気筒２内の燃焼室（詳細図示せず）の上部側、すなわち圧縮行程後期のピストンヘッドよりわずかに上方に位置するとともに気筒２の略半径方向に突出および露出するものとしたが、燃焼室の頂部付近に下向き（シリンダヘッド側からピストンヘッドに向かう方向）に設置されてもよい。

以上説明したように、本発明は、ノズルボディの内壁面のうち筒状面の長さがサック室の半径に近くなるようにして、バルブシート部を構成する錐面からサック室内に流入する流体がサック室の入口側の筒状面の端部付近で剥離を生じても、噴孔の入口部での流線が均一にばらける状態を確保するようにしているので、高噴霧角度であって噴霧のむらを確実に防止でき、高精度の噴射量制御により無駄な燃料噴射を抑えることができ、燃費の悪化や排出ガス性能の低下を防止することのできる低コストで高性能の噴射ノズルを提供することができるという効果を奏するものであり、液体を噴霧状にして噴射する噴孔の近傍にその噴孔が開口する液溜り室を有する噴射ノズル全般に有用である。

１ インジェクタ（噴射ノズル）
２ 気筒
１０ ノズルボディ
１１ 先端部
１１ａ 噴孔
１１ｂ 先端面
１２ バルブシート部
１２ａ シート面（弁座面）
１３ 円錐面（錐面）
１３ｅ 下部
１４ 凹壁面
１５ 筒状面
１６ 内壁面
１７ サック室
１８ ニードル収納孔
１８ａ 筒状内壁面
２０ バルブニードル
２０ａ 外周面
２１ 弁体部
２１ａ バルブフェース
２１ｂ 中間傾斜面
２１ｃ 先端側傾斜面
２１ｄ 先端面
２１ｐ 先端凸状部
２２ 軸部
３０ 燃料通路（流体通路）
４０ 弁開閉駆動手段
Ｈｂ２ 筒状面の軸方向長さ
θｓ シート面の傾斜角度
θｖ１，θｖ２，θｖ３ 傾斜角
α 第１の傾斜角
β 第２の傾斜角

Claims (9)

1. バルブニードルと、該バルブニードルを軸方向に変位可能に収納するノズルボディと、を備えた噴射ノズルであって、
   前記ノズルボディには、流体を噴出する噴孔と該噴孔に前記流体を導入する流体通路が形成されるとともに、前記バルブニードルが前記軸方向に変位するとき該バルブニードルとの間で前記流体通路の一部を開閉するよう前記軸方向に対し傾斜した錐面状のバルブシート部が設けられ、
   前記ノズルボディが、前記バルブシート部を構成する錐面と、前記噴孔が開口する凹壁面と、前記錐面および前記凹壁面の間で前記軸方向に対し略平行に延在しつつ前記錐面および前記凹壁面に接続する筒状面とを有する内壁面を形成していることを特徴とする噴射ノズル。
2. 前記軸方向における前記筒状面の長さが、前記凹壁面および前記筒状面によって形成されるサック室の直径に対して３５％を超えかつ５０％以下となる範囲内に設定されていることを特徴とする請求項１に記載の噴射ノズル。
3. 前記バルブニードルの外周面と前記ノズルボディの前記内壁面との半径方向の離間距離が、前記バルブシート部より下流側の前記流体通路内で前記噴孔に近付くほど大きくなっていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の噴射ノズル。
4. 前記バルブニードルが、前記ノズルボディの錐面より前記サック室側に前記筒状面の長さ以上に及んで挿入される先端凸状傾斜面部を有することを特徴とする請求項１ないし請求項３のうちいずれか１の請求項に記載の噴射ノズル。
5. 前記先端凸状部は、前記軸方向に対する外周面の傾斜方向が前記ノズルボディの前記錐面と同一方向で、かつ、前記軸方向に対する外周面の傾斜角度が前記ノズルボディの前記錐面の傾斜角度より小さくなっていることを特徴とする請求項４に記載の噴射ノズル。
6. 前記ノズルボディの前記凹壁面および前記バルブニードルの前記先端凸状部の先端面がそれぞれ略半球面状に形成され、前記噴孔が前記先端凸状部の先端面に対向する位置で前記凹壁面上に開口していることを特徴とする請求項４または請求項５に記載の噴射ノズル。
7. 前記噴孔が、スリット状の噴孔であることを特徴とする請求項１ないし請求項６のうちいずれか１の請求項に記載の噴射ノズル。
8. 前記噴孔が、前記ノズルボディの先端側の壁部を前記軸方向に対し第１の傾斜角だけ傾斜した傾斜軸線方向に貫通するとともに、前記傾斜軸線方向および前記軸方向に対し直交する方向の両側にそれぞれ前記第１の傾斜角より大きい第２の傾斜角だけ拡開した略扇形をなしていることを特徴とする請求項７に記載の噴射ノズル。
9. 前記噴孔から内燃機関の気筒の内部に前記内燃機関の燃料を噴射することを特徴とする請求項１ないし請求項８のうちいずれか１の請求項に記載の噴射ノズル。

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