JP6545333B2 - 燃料噴射弁および噴孔プレート - Google Patents

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Description

この発明は、燃料噴射弁に関わり、特に、内燃機関への燃料供給に使用される燃料噴射弁に関するものである。
自動車などの内燃機関では、燃料噴射弁を使って燃料の供給量を制御している。近年、内燃機関に対する排出ガス規制が強化されており、燃料噴射弁から噴射される燃料噴霧の微粒化が求められるようになっている。特許文献1、2が示す先行技術では、燃料の微粒化を図るために、燃料噴射弁に旋回流れを形成することが検討されている。
特許文献1に係る燃料噴射弁は、長手軸線に関して対称的に形成された弁ケーシングを備えている。弁ケーシングの内部には、弁座面と協働する弁閉鎖部材が配置されている。弁座面の下流には中央開口が設けられており、中央開口から半径方向へ少なくとも2つの接線方向通路が延びている。各々の接線方向通路はそれぞれ各スワール室に接線方向で開口している。燃料のための定量開口は、それぞれ、スワール室の中央から外側へ通じている。
案内通路によって整流及び加速された燃料は、流れがスワール室へ流入する。燃料は、スワール室で旋回流れとなり、その後、噴孔内を旋回しながら噴孔プレート出口から噴射される。噴出物は中空円錐状の噴霧となっていて、微粒化が促進するとされている。このような構成においては、スワール室に一方向からのみ燃料が流入するため、スワール流れが非均質になる。噴孔内壁に形成される燃料液膜は、厚さに偏りが生じるため、噴射後の微粒化度合は十分であるとはいえない。
特許文献2に係る燃料噴射弁には、弁開口に対して半径方向の間隔を置いて配置された単一の噴射孔が存在している。該単一の噴射孔の渦流形成室に、互いに鏡像対称的に配置された円弧状の2つの渦流形成通路が案内されている構成となっている。このような構成では、旋回室へ案内される通路が二つであるために旋回流が均質になっていて、微粒化が向上している。更なる微粒化を図るには多噴孔化が望ましいが、二つの通路が、レイアウト性を低くし、多噴孔化を困難にしている。
特開1989−271656号公報 国際公開第2013/023838号公報
旋回室に対し二つの対向する流路を設けた方式は、スワール流れの均質性は良好であるが、通路が二つあるためにレイアウト性が低く、多噴孔化による微粒化を図ることが困難であった。よって、レイアウト性が良好でありつつも、均質なスワール流れを生じさせる構造が望まれている。
この発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、ソレノイド装置で駆動される弁とこのプランジャの下流側に配置される弁座とを備えている燃料噴射弁において、燃料の流れの均質性を維持しながら、更なる燃料の微粒化を図ることを目的としている。
本発明は、燃料を噴射する燃料噴射弁において、一面側から供給された燃料を他面側へ噴射するプレート状の噴射部位を備え、前記噴射部位は、前記一面側から前記他面側に貫通し、前記燃料を噴射する噴孔と、前記燃料を上流から下流の前記噴孔へ導く窪み部とを備え、前記窪み部は、前記燃料を受け付ける分岐部と、前記噴孔を囲い、前記燃料を旋回させる円筒状の円筒部と、前記円筒部の外周に沿って延設してある弧状の旋回部と、前記分岐部および前記円筒部に接続してあり、前記分岐部が受け付けた燃料を第1導入方向に向かって前記円筒部に導く帯状の第1導入部と、前記第1導入部に併設してあり、前記第1導入部および前記分岐部に接続し、前記分岐部が受け付けた燃料を前記第1導入方向に平行な第2導入方向に向かって前記旋回部に導く帯状の第2導入部とを備え、前記旋回部は、前記第2導入部によって導かれた燃料が前記円筒部に流れ込む燃料流方向を、前記第1導入部によって導かれた燃料が前記円筒部に流れ込む燃料流方向に対向させることを特徴とする。
本発明は、燃料を噴射する燃料噴射弁において、一面側から供給された燃料を他面側へ噴射するプレート状の噴射部位を備え、前記噴射部位は、前記一面側から前記他面側に貫通し、前記燃料を噴射する噴孔と、前記燃料を上流から下流の前記噴孔へ導く窪み部とを備え、前記窪み部は、前記燃料を受け付ける分岐部と、前記噴孔を囲い、前記燃料を旋回させる円筒状の円筒部と、前記円筒部の外周に沿って延設してある弧状の旋回部と、前記分岐部および前記円筒部に接続してあり、前記分岐部が受け付けた燃料を第1導入方向に向かって前記円筒部に導く帯状の第1導入部と、前記第1導入部に併設してあり、前記第1導入部および前記分岐部に接続し、前記分岐部が受け付けた燃料を前記第1導入方向に平行な第2導入方向に向かって前記旋回部に導く帯状の第2導入部とを備え、前記旋回部は、前記第2導入部によって導かれた燃料が前記円筒部に流れ込む燃料流方向を、前記第1導入部によって導かれた燃料が前記円筒部に流れ込む燃料流方向に対向させることを特徴とすることで、円筒部において導入部から直接流入する流れAと、旋回部を経由して円筒部に流入する流れBとが対向することになる。
以上により、一方向のみからの流れでスワール流れを形成する場合と比べ、スワール流れが均質なものとなる。その結果、噴孔内壁に形成される燃料液膜厚さが均一になるため、微粒化度合が良好になる。さらに、旋回室に対して二つの独立した対向する流路を設けた方式と比較すると、同等の微粒化効果が得られながらも、コンパクトな形状になっている。これにより、多噴孔化が容易になることから、一つの噴孔あたりの噴射流量が減る。噴射後形成される燃料液膜が薄膜化されることによって、更なる微粒化を図ることが出来る。
実施の形態による燃料噴射弁の全体構成を示す断面図である。 燃料噴射弁の先端部を表す断面図(図2A)と燃料噴射弁の噴孔プレートを表す平面図(図2B)である。 噴孔プレートに形成された窪みを表す平面図である。 噴孔プレートに形成された、導入部と円筒部と旋回部を表す拡大図である。 角度θ、導入部の幅W1および旋回部の幅W2の関係を表している図である。 円筒部と旋回部に発生する2つの燃料流れを示している図である。 終端面Lと導入部の中心軸が成す角度θと、微粒化の相関を示した図である。 導入部の幅W1と旋回部の幅W2の比と、微粒化の相関を示した図である。 導入部の幅W1と円筒部の直径D1の関係を説明している図である。 実施の形態2の燃料噴射弁における2つの燃料流れを示した図である。 実施の形態3による窪みの平面図(図11A)と断面図(図11B)である。 実施の形態3の燃料噴射弁における2つの燃料流れを示した図である。 実施の形態4による噴孔プレートに形成された窪みを表す平面図である。
本発明の実施の形態に係わる燃料噴射弁について、図を参照しながら以下に説明する。なお、各図において、同一または同様の構成部分については同じ符号を付しており、対応する各構成部のサイズや縮尺はそれぞれ独立している。例えば構成の一部を変更した断面図の間で、変更されていない同一構成部分を図示する際に、同一構成部分のサイズや縮尺が異なっている場合もある。また、燃料噴射弁の構成は、実際にはさらに複数の部材を備えているが、説明を簡単にするため、説明に必要な部分のみを記載し、他の部分については省略している。
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態による燃料噴射弁の断面を示している。燃料噴射弁100では、燃料供給口から導入された燃料が、燃料噴出口から噴霧状に微粒化されて吐出される。燃料噴射弁100は、駆動回路1、ソレノイド装置4、ハウジング5、コア6、アーマチュア8、プランジャ9、弁本体11、弁座12、噴孔プレート13などから構成されている。燃料噴射弁100の駆動回路1には、エンジンの制御装置から動作信号および停止信号が送られてくる。駆動回路1は、これらの信号に従って、ソレノイド装置4に駆動電流を供給し、プランジャ9を駆動する。駆動電流は、アーマチュア8、コア6、ハウジング5、弁本体11で構成される磁気回路に磁束を発生する。弁座12は、プランジャ9の下流側に配置されている。
ハウジング5は、磁気回路のヨーク部分に相当する。コア6は、磁気回路の固定鉄心部分に相当する。アーマチュア8は、磁気回路の可動鉄心部分に相当する。ソレノイド装置4は、コイル7および圧縮バネ16を備えている。プランジャ9は、弁体10とボール15とで構成されている。弁本体11は、コア6の外径部に圧入後、溶接されている。アーマチュア8は、弁体10に圧入後、溶接されている。弁座12には噴孔プレート13が結合されている。噴孔プレート13には板厚方向に貫通する複数の噴孔14が設けられている。プランジャ9のボール15には、複数の面取部が形成されている。
図2Aは、燃料噴射弁100の燃料噴出口(弁体先端部)を拡大した図である。同図には、ボール15と弁座12と噴孔プレート13が表示されている。弁座12と噴孔プレート13は、溶接ビード13bで結合されている。弁座12には、中央部に弁座開口部12bが設けられている。燃料噴射弁100が閉状態では、プランジャ9のボール15は、弁座シート部12aを押圧している。噴孔プレート13には板厚方向に貫通する複数の噴孔14が設けられている。窪み13aは、噴孔プレート13の上流側の一部を窪ませることにより形成されている。図2Bは、噴孔プレート13に形成されている窪み13aの形状を表している平面図である。噴孔プレート13は、放射状の窪み13aが上流側に加工されている。複数の噴孔14は、窪み13aと繋がっている。燃料は、弁座開口部12bを通過すると、窪み13aに導入され、複数の噴孔14から噴霧状に噴射される。
次に燃料噴射弁100の動作について説明する。エンジンの制御装置より燃料噴射弁100の駆動回路1に動作信号が送られてくると、ソレノイド装置4のコイル7に電流が通電され、アーマチュア8、コア6、ハウジング5、弁本体11で構成される磁気回路に磁束が発生する。アーマチュア8は、コア側へ吸引され、アーマチュア8と一体構造である弁体10が弁座シート部12aから離れて、隙間が形成される。燃料は、弁体10の先端部に溶接されたボール15の面取部15aから弁座シート部12aと弁体10の隙間を通って、複数の噴孔14からエンジン吸気通路に噴射される。
次に、エンジンの制御装置より燃料噴射弁100の駆動回路1に動作の停止信号が送られてくると、ソレノイド装置4のコイル7への駆動電流の通電が停止する。コイル電流の減少により、磁気回路中の磁束が減少する。弁体10を閉弁方向に押している圧縮バネ16により、ボール15および弁体10と弁座シート部12aの隙間は閉じ状態となり、燃料噴射が終了する。アーマチュア8および弁体10は、弁本体11のガイド部11aで摺動し、開弁状態ではアーマチュア8の上面8aがコア6の下面と当接する。
噴孔プレート13の上流側に形成されている窪み13aの詳細形状を、図3を用いて説明する。窪み13aは、分岐部2と導入部18と燃料室17から構成されている。燃料室17は、噴孔14を取り巻いている。導入部18は、弁座開口部12bから燃料室17へ燃料を導入する。分岐部2から、複数の導入部18が枝分かれしている。噴孔14は、燃料室17に形成されている。燃料は、弁座シート部12aに形成されている弁座開口部12bから、分岐部2を経由して導入部18に進入する。導入部18の中心軸は、弁座中心から放射状に延びている。分岐部2は、弁座開口部12bの中に納まっている。
図4は、燃料室17の構成を詳細に表している。燃料室17は、円筒形状を有する円筒部19と、円筒部19の外周のうち略半周を囲む旋回部20から構成されている。噴孔14は、円筒部19の中心に開口されている。導入部18は、円筒部19と旋回部20の両方に通じている。旋回部20の終端面Lは、円筒部19の外周に外接しており、旋回部20の終端部となっている。導入部18は、中心軸3を有する。導入部18は、一端が分岐部2と接続され、他端は円筒部19および旋回部20に接続されている。従って、噴孔プレート13は、分岐部2と導入部18と円筒部19と旋回部20を有する放射状の窪み13aが上流側に加工され、円筒部19の下流側には噴孔14が開口されている。旋回部20は、円筒部19を一部取り巻いてから円筒部19に外接する終端面で閉じている。
次に、図5を使って、燃料室17と導入部18の大きさについて説明する。導入部18は、幅W1を有している。旋回部20は幅W2を有している。角度θは、旋回部20の終端面Lと導入部18の中心軸3が成す角度を表している。旋回部20は、外周部が導入部18の内壁と接することで導入部18と連続している。旋回部20の終端部は、円筒部19の外周部の終端面Lになっている。本実施の形態による燃料噴射弁100では、0.3 ≦ W2 / W1 ≦ 0.7の関係にある。角度θは、0°≦θ≦45°の関係を満足する。
図6は、噴孔プレート13に加工されている窪み13aで生じる燃料の流れの方向を表している。図には、導入部18から、円筒部19および旋回部20に流入する、2つの代表的な燃料のルートが表示されている。流れ21は、導入部18から円筒部19に直入する流れを表している。これに対し、流れ22は、導入部18から旋回部20を経由する流れを表している。
本実施の形態による燃料噴射弁100では、導入部18から円筒部19に直入する流れ21と、導入部18から旋回部20を経由する流れ22が対向して円筒部19に流れ込む。導入部18から円筒部19に直入する流れ21は、噴孔方向に引き寄せられながら円筒部19に流れ込んでいる。ここで、均質な旋回流れを作るためには、二つの流れを完全に対向させることが重要になる。
図7は、終端面Lと導入部18の中心軸3が成す角度θと、微粒化の相関を示した図である。仕様Aおよび仕様Bに対して、噴射後の燃料粒径を測定した結果を表している。終端面Lと導入部18の中心軸が成す角度θの大きさ調整し、旋回部20を経由する流れ22が円筒部19に流れ込む角度を変えることで、二つの流れを完全に対向させることが出来る。終端面Lと導入部18の中心軸が成す角度θの最適値は、円筒部19の径や旋回部20の幅W2、導入部18の幅W1などによって異なるが、同図で示すように、どちらの仕様においても、0°≦θ≦45°の範囲において燃料噴霧の微粒化が良好となった。
図8は、導入部18の幅W1と旋回部20の幅W2の比W2 / W1と、微粒化の相関を示した図である。対向する二つの流れの強さは、ある程度均等であることが望ましい。旋回部20を経由する流れの強さは、導入部18の幅W1に対する旋回部20の幅W2の比W2 / W1によって変わる。同図で示すように、0.3 ≦ W2 / W1 ≦ 0.7の範囲に設定することで、二つの流れの強さのバランスが良好となり燃料噴霧の微粒化が良好になった。
円筒部19に流入した対向する二つの燃料流れは噴孔14へ向かう。燃料噴射弁100は、噴孔内壁に沿った厚さが均一な薄い液膜を作り出すことによって、微粒化度合が良好かつ、微粒化度合のばらつきの小さい燃料粒子を噴射する。以上のように、対向する二方向からの流れによって旋回流れを作り出すことにより、均質性の高い旋回流が生じるため、噴孔内壁に沿った液膜厚さも均質なものとなる。したがって、一方向からの流れによって旋回流れを作り出す方式と比較すると、燃料液膜の厚さの偏りによる微粒化の低下を解消することが出来るため、微粒化度合が向上している。
また、旋回室に対して独立した二つの対向流路を設ける方式に対しては、同等の微粒化効果を得られつつも、燃料室の形状が単純な構成となり、レイアウト性が向上している。これにより多噴孔化が容易になるため、エンジンが要求する流量に対して、一つの噴孔あたりに割り当てられる噴射量を減らすことが出来る。噴孔あたりの噴射量が減ることによって、噴孔内壁に沿った液膜厚さは薄くなるため、噴射される燃料粒子の微粒化度合は更に良好なものとなる。
すなわち、本実施の形態に係る燃料噴射弁は、弁座を開閉するための弁体を有し、制御装置より動作信号を受けて弁体を動作させることにより、燃料が弁体と弁座シート部の間を通過後、弁座下流側の弁座開口部に装着された噴孔プレートに複数設けられた噴孔から噴射される燃料噴射弁である。噴孔プレートの上流側端面を窪ませる形で、複数の燃料室と、弁座開口部から燃料室へ燃料を導入する導入部が形成されており、燃料室は、円筒形状の円筒部と、旋回部から構成されており、噴孔は円筒部の中心に開口している。
旋回部は円筒部の外周部のうち略半周を囲んでおり、導入部の幅をW1、旋回部の幅をW2としたとき、0.3 ≦ W2 / W1 ≦ 0.7 の関係にある。また、旋回部は外周が導入部の内壁と接することで導入部と連続しており、円筒部の外周部の終端面Lが旋回部の終端部となっている。終端面Lと導入部の中心軸が成す角度θは、0°≦θ≦45°の関係にあることを特徴とする。
実施の形態2.
図9は、実施の形態2に係る燃料噴射弁100における窪み13aを示している。円筒部19は、直径D1を有している。均質な旋回流れを作るためには、導入部18から円筒部19に直入する流れ21および、導入部18から旋回部20を経由する流れ22が、円筒部19に形成される旋回流れと衝突せずにスムーズに円筒部19に流れ込むことが望ましい。すなわち、それぞれの流れの円筒部19への流入領域を、円筒部の半径D1/2よりも小さくする必要がある。
本実施の形態に係る燃料噴射弁100では、図10で示すように、導入部18から円筒部19に直入する領域は幅W1−W2を有し、旋回部20を経由する流れが円筒部19に流入する領域は幅W2を有している。それぞれの流入領域が円筒部19の半径D1/2よりも小さくなるようにすれば、それぞれの流れは円筒部19に形成される旋回流れと衝突することなく円筒部19へ流れ込む。
よって、円筒部19の直径をD1、導入部18の幅をW1、旋回部20の幅をW2としたとき、 W1−W2≦D1/2、W2≦D1/2とすることで、それぞれの流れは円筒部に形成される旋回流れと衝突することなく、スムーズに円筒部19で旋回流れを生み出すことが出来る。これにより、旋回流れの均質度が向上するため、噴射される燃料粒子の微粒化度合は更に良好になる。
実施の形態3.
図11Aは、実施の形態3に係る燃料噴射弁における窪み13aの平面図を示している。図11Bは、実施の形態3に係る燃料噴射弁における窪み13aの断面図を示している。実施の形態1、2の構成では、円筒部に流入した流れが噴孔14に直入するため、旋回が不十分な状態で燃料が噴射されて、液膜の薄膜化が十分に行われない可能性がある。そこで実施の形態3では、円筒部19の底面を、導入部18および旋回部20の底面よりも深くしている。これにより、導入部18から円筒部19に直入する流れ21と、導入部18から旋回部20を経由する流れ22は、円筒部へ流入後に円筒部の底面に向かうため、噴孔方向へ引き寄せられる流れが緩和される。
図12は、本実施の形態に係る窪み13aで生じる燃料の流れを表している。図には、導入部18から、円筒部19および旋回部20に流入する、2つの燃料のルートが表示されている。同図で示すように、燃料は二つの流れによって円筒部19で十分な旋回流れを作った後に噴孔内へ流入することから、噴孔内壁に作られる燃料液膜は更に薄膜化され、噴射される燃料粒子の微粒化度合は更に良好になる。
実施の形態4
実施の形態1〜3では、導入部18を、弁座の中心を基点とした放射状の直線形状としているが、発明の要旨を逸脱しない範囲で湾曲形状に変更しても同様の効果を得る事が出来る。例えば、整流を目的として導入部を延長するために、屈折した導入部の形状としても同様の効果を奏する。具体的には、図13で示すように、導入部18は屈折部18aを有している。
なお、本発明は、その発明の範囲内において、実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
1 駆動回路、2 分岐部、3 中心軸、4 ソレノイド装置、5 ハウジング、6 コア、7 コイル、8 アーマチュア、9 プランジャ、10 弁体、11 弁本体、12 弁座、12a 弁座シート部、13 噴孔プレート、14 噴孔、15 ボール、16 圧縮バネ、17 燃料室、18 導入部、19 円筒部、20 旋回部、21 流れ、22 流れ、100 燃料噴射弁

Claims (4)

  1. 一面側から供給された燃料を他面側に噴射するプレート状の噴孔プレートにおいて、
    前記一面側から前記他面側に貫通し、前記燃料を噴射する噴孔と、
    前記一面側から前記他面側に窪み、前記燃料を上流から下流の前記噴孔へ導く窪み部とを備え、
    前記窪み部は、
    前記燃料を受け付ける分岐部と、
    前記噴孔を囲い、前記燃料を旋回させる円筒状の円筒部と、
    前記円筒部の外周に沿って延設してある弧状の旋回部と、
    前記分岐部および前記円筒部に接続してあり、前記分岐部が受け付けた燃料を第1導入方向に向かって前記円筒部に導く帯状の第1導入部と、
    前記第1導入部に併設してあり、前記第1導入部および前記分岐部に接続し、前記分岐部が受け付けた燃料を前記第1導入方向に平行な第2導入方向に向かって前記旋回部に導く帯状の第2導入部とを備え、
    前記旋回部は、前記第2導入部によって導かれた燃料が前記円筒部に流れ込む燃料流方向を、前記第1導入部によって導かれた燃料が前記円筒部に流れ込む燃料流方向に対向させることを特徴とする噴孔プレート。
  2. 前記旋回部は、下流側の終端面が前記円筒部の外周の接線方向に沿い、前記第2導入部によって導かれた燃料を前記終端面を介して前記円筒部に流れ込ませることを特徴とする請求項1に記載の噴孔プレート。
  3. 前記一面側から前記他面側に貫通し、前記燃料を噴射する他の噴孔を備え、
    前記窪み部は、
    前記他の噴孔を囲い、前記燃料を旋回させる円筒状の他の円筒部と、
    前記他の円筒部の外周に沿って延設してある弧状の他の旋回部と、
    前記分岐部および前記他の円筒部に接続してあり、前記分岐部が受け付けた燃料を他の第1導入方向に向かって前記他の円筒部に導く帯状の他の第1導入部と、
    前記他の第1導入部に併設してあり、前記他の第1導入部および前記分岐部に接続し、前記分岐部が受け付けた燃料を前記他の第1導入方向に平行な他の第2導入方向に向かって前記他の旋回部に導く帯状の他の第2導入部とを備え、
    前記他の旋回部は、前記他の第2導入部によって導かれた燃料が前記他の円筒部に流れ込む燃料流方向を、前記他の第1導入部によって導かれた燃料が前記他の円筒部に流れ込む燃料流方向に対向させることを特徴とする請求項1または2に記載の噴孔プレート。
  4. 燃料を噴射する燃料噴射弁において、
    一面側から供給された燃料を他面側へ噴射するプレート状の噴射部位を備え、
    前記噴射部位は、
    前記一面側から前記他面側に貫通し、前記燃料を噴射する噴孔と、
    前記燃料を上流から下流の前記噴孔へ導く窪み部とを備え、
    前記窪み部は、
    前記燃料を受け付ける分岐部と、
    前記噴孔を囲い、前記燃料を旋回させる円筒状の円筒部と、
    前記円筒部の外周に沿って延設してある弧状の旋回部と、
    前記分岐部および前記円筒部に接続してあり、前記分岐部が受け付けた燃料を第1導入方向に向かって前記円筒部に導く帯状の第1導入部と、
    前記第1導入部に併設してあり、前記第1導入部および前記分岐部に接続し、前記分岐部が受け付けた燃料を前記第1導入方向に平行な第2導入方向に向かって前記旋回部に導く帯状の第2導入部とを備え、
    前記旋回部は、前記第2導入部によって導かれた燃料が前記円筒部に流れ込む燃料流方向を、前記第1導入部によって導かれた燃料が前記円筒部に流れ込む燃料流方向に対向させることを特徴とする燃料噴射弁。
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