JP2008232117A - 燃料噴射弁 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料噴霧の微粒化を十分に促進させることができる燃料噴射弁を提供する。
【解決手段】燃料噴射時には、燃料室１８に供給された燃料が第１噴口２１に流入する。第１噴口２１では燃料の流路面積が絞られているため、第１噴口２１内を流れる燃料の速度が燃料室１８内を流れる燃料の速度より増大する。そして、第１噴口２１で流速の増大した燃料が乱流室２２に流入する。第１噴口２１から乱流室２２にかけての流れを急拡大流れとすることで、第１噴口２１から乱流室２２へ噴出する燃料噴流とその周囲の燃料との間に速度差が発生し、乱流室２２内を流れる燃料に強い乱れが与えられる。そして、乱流室２２で乱流の発生した燃料が第２噴口２３を通って噴出し、扇状の偏平な噴霧膜を形成する。
【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、ノズルボディ内部の燃料室に供給された燃料が噴口を通って噴射される燃料噴射弁に関し、特に、燃料噴霧の微粒化の促進を図った燃料噴射弁に関する。

燃料噴霧の微粒化の促進を図った燃料噴射弁の関連技術が下記特許文献１に開示されている。特許文献１による燃料噴射弁においては、入口がサック部に開口し、出口が噴射弁外部に開口するスリット状噴口が弁体の先端部に形成されており、スリット状噴口出口のスリット長手方向の幅がスリット状噴口入口のスリット長手方向の幅より広く設定されている。サック部からスリット状噴口を通って噴出した燃料は、偏平な扇状の燃料噴霧膜を形成する。この偏平な燃料噴霧膜が周囲の空気によって引きちぎられることで、燃料噴霧の微粒化の促進を図っている。

その他の関連技術として、燃料にキャビテーション気泡を発生させて燃料噴霧の微粒化を促進させる燃料噴射弁が下記特許文献２に開示されている。

特開平９−１２６０９５号公報 特開２００６−１７７１７４号公報

特許文献１による燃料噴射弁においては、サック部の横断面積がスリット状噴口の横断面積より大きいため、サック部上面から流入する燃料の速度は遅く、サック部内での燃料流れに生じる乱れは強くない。そのため、スリット状噴口から噴出する燃料噴霧に生じる乱れが弱くなり、燃料噴霧の微粒化を十分に促進させることが困難である。

本発明は、燃料噴霧の微粒化を十分に促進させることができる燃料噴射弁を提供することを目的とする。

本発明に係る燃料噴射弁は、上述した目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明に係る燃料噴射弁は、ノズルボディ内部の燃料室に供給された燃料が噴口を通って噴射される燃料噴射弁であって、噴口は、燃料室に供給された燃料が流入する第１噴口と、第１噴口から流入した燃料に乱流を発生させるための乱流室と、乱流室で乱流が発生した燃料を噴射する第２噴口と、を含むことを要旨とする。

本発明によれば、第１噴口から乱流室に流入した燃料に乱流を発生させ、この乱流が発生した燃料を第２噴口から噴射することで、第２噴口から噴出する燃料噴霧に強い乱れを生じさせることができるので、第２噴口から噴出する燃料噴霧の微粒化を十分に促進させることができる。

本発明の一態様では、第１噴口入口の流路面積と第２噴口入口の流路面積との比が３以下の状態で、燃料を第２噴口から噴射することにより、燃料噴霧の微粒化をさらに促進させることができる。さらに、第１噴口入口の流路面積と第２噴口入口の流路面積との比が２以下の状態で、燃料を第２噴口から噴射することにより、さらに良好な微粒化状態の燃料噴霧を得ることができる。

本発明の一態様では、第１噴口入口の流路面積と第２噴口入口の流路面積との比が０．５以上の状態で、燃料を第２噴口から噴射することにより、激しいキャビテーションを発生させることなく燃料噴霧の微粒化を促進させることができる。さらに、第１噴口入口の流路面積と第２噴口入口の流路面積との比が１以上の状態で、燃料を第２噴口から噴射することにより、キャビテーションを発生させることなく燃料噴霧の微粒化を促進させることができる。

本発明の一態様では、第１噴口の横断面形状が円形である場合に、第１噴口の長さと直径との比が３以下の状態で、燃料を第２噴口から噴射することにより、第１噴口出口部で大きい乱流エネルギーを燃料に与えることができ、第２噴口から噴出する燃料噴霧の微粒化をさらに促進させることができる。また、本発明の一態様では、第１噴口の横断面形状が略長方形である場合に、第１噴口の長さと短い方の幅との比が３以下の状態で、燃料を第２噴口から噴射することにより、第１噴口出口部で大きい乱流エネルギーを燃料に与えることができ、第２噴口から噴出する燃料噴霧の微粒化をさらに促進させることができる。

本発明の一態様では、第１噴口の流路面積が、燃料流れの上流側から下流側にかけてステップ的に拡大していることにより、第１噴口でキャビテーションを発生させて第２噴口から噴出する燃料噴霧の微粒化をさらに促進させることができる。この態様では、第１噴口は、上流側噴口と下流側噴口とを含み、上流側噴口及び下流側噴口の横断面形状が円形である場合に、下流側噴口の直径Ｄ１ｄが上流側噴口の直径Ｄ１ｕより大きく設定されており、下流側噴口の長さをＬ２とすると、
０．０３≦（Ｄ１ｄ−Ｄ１ｕ）／２／Ｌ２≦０．１
を満たすようにＤ１ｄ，Ｄ１ｕ１，Ｌ２の値が設定されていることが好適である。また、この態様では、第１噴口は、上流側噴口と下流側噴口とを含み、上流側噴口及び下流側噴口の横断面形状が略長方形である場合に、下流側噴口の短い方の幅Ｄ１ｄが上流側噴口の短い方の幅Ｄ１ｕより大きく設定されており、下流側噴口の長さをＬ２とすると、
０．０３≦（Ｄ１ｄ−Ｄ１ｕ）／２／Ｌ２≦０．１
を満たすようにＤ１ｄ，Ｄ１ｕ１，Ｌ２の値が設定されていることが好適である。

本発明の一態様では、第２噴口の流路面積が、燃料流れの上流側から下流側にかけてステップ的に拡大していることにより、第２噴口でキャビテーションを発生させて第２噴口から噴出する燃料噴霧の微粒化をさらに促進させることができる。

本発明の一態様では、第１噴口の流路面積が燃料室の流路面積より小さく、第１噴口から乱流室にかけて燃料の流路面積がステップ的に拡大していることが好適である。

本発明の一態様では、第２噴口はスリット状噴口であることが好適である。この態様では、スリット状噴口は、乱流室に開口する入口側開口面がスリット長手方向において噴口出口側へ凹んでおり、且つスリット長手方向の幅が燃料流れの上流側から下流側にかけて増大していることが好適である。これによって、スリット状噴口の形状に沿った設計通りの偏平な燃料噴霧膜を形成することができる。

以下、本発明を実施するための形態（以下実施形態という）を図面に従って説明する。

図１Ａ，１Ｂ，１Ｃは、本発明の実施形態に係る燃料噴射弁の概略構成を示す図であり、ノズルボディ先端部の概略構成を示す。図１Ａ，１Ｂは燃料噴射弁の中心軸と直交する方向から見た内部構成図を示し、図１Ｃは下面図を示す。本実施形態に係る燃料噴射弁は、内開弁形式の燃料噴射弁であり、例えば内燃機関にて用いられるものである。なお、ノズルボディ先端部以外の構成については、公知の構成を適用可能であるため、図１Ａ，１Ｂ，１Ｃでは図示を省略している。

ノズルボディ７の中空部にはニードル４が内挿されており、ニードル４はノズルボディ７の内周面に沿って摺動可能な状態で支持されている。ノズルボディ７の内部（ニードル４の外周面とノズルボディ７の内周面との間）には燃料室１８が形成されており、図示しない燃料ポンプにより圧送された燃料が燃料室１８に供給される。ニードル４は図示しないニードル駆動機構（例えばソレノイドやピエゾ素子等を用いた電磁アクチュエータ）により駆動可能である。例えばニードル駆動機構を駆動していない場合は、ニードル４が図示しないばねによりノズルボディ７のシート部６側（図１Ａ，１Ｂの下側）へ付勢されていることで、ニードル４がシート部６に密着している。この場合は、燃料が噴射されない。一方、ニードル駆動機構を駆動すると、ニードル４がシート部６から離れることで、燃料室１８に供給された燃料が後述する噴口を通って例えば内燃機関の筒内に噴射される。

ノズルボディ７の先端部には噴口プレート１５，１６が取り付けられており、噴口はこれらの噴口プレート１５，１６に形成されている。より具体的には、噴口プレート１５には第１噴口２１が形成されており、噴口プレート１６には乱流室２２及び第２噴口２３が形成されている。

第１噴口２１は、その入口がノズルボディ７の内部に開口しており、その出口が乱流室２２の入口に開口している。図１Ａ，１Ｂ，１Ｃに示す例では、第１噴口２１がスリット状噴口であり、第１噴口２１の横断面形状が概ね長方形（スリット形状）である。第１噴口２１の横断面積（流路面積）は、燃料室１８の横断面積（流路面積）より小さく設定されている。

乱流室２２は、その入口が第１噴口２１の出口に開口しており、その出口が第２噴口２３の入口に開口している。図１Ａ，１Ｂ，１Ｃに示す例では、乱流室２２の壁面が略円形状の平面部分２２ａと半球面部分２２ｂとを含む概ね半球形状であり、乱流室２２の横断面形状が概ね円形状、縦断面形状が概ね半円形状である。そして、乱流室２２の入口（第１噴口２１の出口）がこの平面部分２２ａに形成されている。乱流室２２の横断面積（流路面積）は第１噴口２１の横断面積（流路面積）より大きく設定されており、燃料の流路面積が第１噴口２１から乱流室２２にかけてステップ的に急拡大する。

第２噴口２３は、その入口が乱流室２２の出口に開口しており、その出口が燃料噴射弁の外部（例えば内燃機関の筒内）に開口している。図１Ａ，１Ｂ，１Ｃに示す例では、第２噴口２３がスリット状噴口であり、第２噴口２３の横断面形状が概ね長方形（スリット形状）である。そして、第２噴口２３のスリット長手方向が第１噴口２１のスリット長手方向と垂直であり、第２噴口２３の軸心がノズルボディ７の軸心と一致している。第２噴口２３の入口（乱流室２２の出口）は半球面部分２２ｂに形成されており、第２噴口２３の入口側開口面２３ａがスリット長手方向において噴口出口側（図１Ａ，１Ｂの下側）へ湾曲して凹んでいる。第２噴口２３の入口部の横断面積（流路面積）は乱流室２２の横断面積（流路面積）より小さく設定されており、燃料の流路面積が乱流室２２から第２噴口２３にかけてステップ的に急縮小する。さらに、第２噴口２３は、スリット長手方向の幅が入口側から出口側にかけて（燃料流れの上流側から下流側にかけて）徐々に増大しており、その縦断面形状が末広がりの略扇形状である。噴口プレート１６における第２噴口２３の出口が設けられた面は平面であり、第２噴口２３の出口側開口面２３ｂは平面である。なお、本実施形態では、第２噴口２３のスリット長手方向が第１噴口２１のスリット長手方向と垂直である例を示しているが、第２噴口２３のスリット長手方向と第１噴口２１のスリット長手方向との成す角度については任意に設定することができる。また、本実施形態では、第２噴口２３の軸心がノズルボディ７の軸心と一致している例を示しているが、第２噴口２３の軸心を任意の傾き角度に設定することができる。

次に、本実施形態に係る燃料噴射弁の動作について説明する。

ニードル駆動機構によりニードル４を駆動して燃料を噴射する場合は、燃料室１８に供給された燃料が第１噴口２１に流入する。第１噴口２１では燃料の流路面積が絞られているため、第１噴口２１内を流れる燃料の速度が燃料室１８内を流れる燃料の速度より増大する。そして、第１噴口２１で流速の増大した燃料が乱流室２２に流入する。本実施形態では、第１噴口２１から乱流室２２にかけての流れを急拡大流れとすることで、第１噴口２１から乱流室２２へ噴出する燃料噴流とその周囲の燃料との間に速度差が発生し、乱流室２２内を流れる燃料に強い乱れが与えられる（乱流が発生する）。そして、乱流室２２で乱流の発生した燃料が第２噴口２３に流入する。乱流室２２から第２噴口２３への燃料の流入方向は、第２噴口２３の入口側開口面２３ａの法線方向とほぼ一致する。第２噴口２３の入口側開口面２３ａはスリット長手方向において噴口出口側へ湾曲した凹曲面形状であるため、第２噴口２３への燃料の流入方向はスリット長手方向において所定の広がり角度を有する。そして、第２噴口２３内を流れる燃料は、この広がり角度をほぼ保った状態で、第２噴口２３の出口から噴出する。その際には、第２噴口２３では燃料の流路面積が絞られているため、第２噴口２３内を流れる燃料の速度が乱流室２２内を流れる燃料の速度より増大する。第２噴口２３の出口から噴出した燃料は、扇状の偏平な噴霧膜を内燃機関の筒内に形成する。

このように、本実施形態では、第１噴口２１から乱流室２２に流入する燃料の流速を増大させることができ、乱流室２２内の燃料に強い乱れを与えて乱流を生じさせることができる。そして、乱流室２２内で乱流が生じた燃料を第２噴口２３から噴射することで、第２噴口２３から噴出する燃料噴霧に強い乱れを生じさせることができ、燃料噴霧の微粒化を促進させることができる。

また、本実施形態では、第１噴口２１と第２噴口２３とによる２重絞り構造であり、第１噴口２１入口の流路面積Ａ１と第２噴口２３入口の流路面積Ａ２との比（以下噴口面積比とする）Ａ１／Ａ２に応じて、乱流室２２内の燃料の圧力が変化し、第１噴口２１から乱流室２２に流入する燃料速度（以下第１噴口出口速度とする）Ｖ１、及び第２噴口２３から噴出する燃料速度（以下第２噴口出口速度とする）Ｖ２が変化する。なお、第２噴口２３の入口側開口面２３ａが凹曲面形状である場合は、入口側開口面２３ａの長い方の幅は、図１Ａに示すように凹曲面に沿った長さＷで表され、第２噴口２３入口の流路面積（入口側開口面２３ａの面積）Ａ２は、入口側開口面２３ａの長い方の幅Ｗと短い方の幅との積で表される。

図２に、噴口面積比Ａ１／Ａ２と第１噴口出口速度Ｖ１との関係を計算した結果を示す。ただし、図２では、第１噴口出口速度Ｖ１を、Ａ１／Ａ２＝０．２５の場合の第１噴口出口速度Ｖ１ｂａｓｅで割ってノーマライズ（正規化）して示している。図２に示すように、噴口面積比Ａ１／Ａ２の値が小さいほど、第１噴口出口速度Ｖ１が速くなるため、乱流室２２内の燃料流れに発生する乱れが強くなる。この乱れが強いほど、第２噴口２３から噴出する燃料噴霧に生じる乱れも強くなり、燃料噴霧の微粒化に対して有利である。

図３に、噴口面積比Ａ１／Ａ２と第２噴口出口速度Ｖ２との関係を計算した結果を示す。ただし、図３では、第２噴口出口速度Ｖ２を、第１噴口２１の流路面積が乱流室２２入口部の流路面積と等しい場合（第１噴口２１による絞りが無い場合）の第２噴口出口速度Ｖ２ｂａｓｅで割って無次元化して示している。図３に示すように、噴口面積比Ａ１／Ａ２の値が小さいほど、第２噴口出口速度Ｖ２が遅くなる。第２噴口出口速度Ｖ２が遅いと、外気との速度差が小さいために燃料噴流に作用するせん断力が小さく、燃料噴霧の微粒化に対して不利となる。

図４に、噴口面積比Ａ１／Ａ２と第１噴口２１におけるキャビテーション数ＣＮとの関係を計算した結果を示す。ここでのキャビテーション数ＣＮとは、（第１噴口２１の）上流と下流との差圧を下流の圧力から燃料の飽和蒸気圧力を引いた値で割ったものであり、この値が１より大きい場合にキャビテーションが発生するといわれている。図４は、均質燃焼させる直噴ガソリンエンジンを想定し、燃料供給圧力を１２ＭＰａ、噴射雰囲気圧力を０．１ＭＰａに設定して試算した結果である。図４に示すように、噴口面積比Ａ１／Ａ２の値が１より小さい範囲では、キャビテーション数ＣＮが１より大きくなっており、キャビテーションが発生する要件を満たす。キャビテーションが発生すると、乱流室２２内の燃料流れに、より強い乱れが生じることから、燃料噴霧の微粒化促進効果が期待できる。

以上のように、噴口面積比Ａ１／Ａ２を小さくすると、乱流室２２内での燃料流れの乱れが強くなる（燃料噴霧の微粒化にプラスの要因）反面、第２噴口２３からの燃料の噴出速度Ｖ２を低下させる（燃料噴霧の微粒化にマイナスの要因）。この２つの要因の兼ね合いで第２噴口２３から噴出する燃料噴霧の微粒化状態が決定される。図５に、噴口面積比Ａ１／Ａ２と第２噴口２３から噴出する燃料噴霧の微粒化性能（平均粒径）ｄとの関係を実験により測定した結果を示す。ただし、図５では、燃料噴霧の平均粒径ｄを、第１噴口２１による絞りが無い場合の平均粒径ｄｂａｓｅで割って無次元化して示している。図５に示すように、噴口面積比Ａ１／Ａ２の値が３以下の範囲では、第１噴口２１による絞りが無い場合と比較して、燃料噴霧の平均粒径ｄが小さくなり、燃料噴霧の微粒化が促進されている。このことから、Ａ１／Ａ２≦３に設定し、噴口面積比Ａ１／Ａ２の値が３以下の状態で燃料を第２噴口２３から噴射することにより、良好な微粒化状態の燃料噴霧を得ることができる。そして、図５に示すように、噴口面積比Ａ１／Ａ２の値が２以下の範囲では、燃料噴霧の平均粒径ｄがさらに小さくなり、燃料噴霧の微粒化がさらに促進される。このことから、Ａ１／Ａ２≦２に設定し、噴口面積比Ａ１／Ａ２の値が２以下の状態で燃料を第２噴口２３から噴射することにより、さらに良好な微粒化状態の燃料噴霧を得ることができる。

なお、前述の図２，３から、噴口面積比Ａ１／Ａ２が１より小さい範囲では、第１噴口出口速度Ｖ１の増加割合に対して第２噴口出口速度Ｖ２の減少割合の方が大きいため、燃料噴霧の微粒化に対して不利と考えられる。しかしながら、図４に示すように、噴口面積比Ａ１／Ａ２が１より小さい範囲では、キャビテーションの発生により乱流室２２内の燃料流れに強い乱れが与えられるため、燃料噴霧の良好な微粒化状態を維持することができる。

ただし、キャビテーションの発生は燃料噴霧の微粒化を促進させる効果がある反面、発生したキャビテーション気泡が壁面上で崩壊すると高い圧力を発生し、これによって壁面が壊食（エロージョン）される可能性がある。キャビテーション数ＣＮが１近傍ではキャビテーションがそれほど激しく発生しないが、特にキャビテーション数ＣＮが５以上ではキャビテーションが激しく発生する。このような条件では、壊食に強い材質をキャビテーション気泡が崩壊する部位に用いる必要があり、噴口プレート１５，１６に用いる材質の選択の自由度が制限される。

そこで、噴口プレート１５，１６に用いる材質の選択の自由度を高めるためには、キャビテーション数ＣＮが５以下、理想的には１以下になるように噴口面積比Ａ１／Ａ２の値を設定することが好ましい。図４から、キャビテーション数ＣＮが５以下になるようＡ１／Ａ２≧０．５に設定し、噴口面積比Ａ１／Ａ２の値が０．５以上の状態で燃料を第２噴口２３から噴射することにより、激しいキャビテーションを発生させることなく、燃料噴霧の微粒化を促進させることができる。さらに、図４から、キャビテーション数ＣＮが１以下になるようＡ１／Ａ２≧１に設定し、噴口面積比Ａ１／Ａ２の値が１以上の状態で燃料を第２噴口２３から噴射することにより、キャビテーションを発生させることなく、燃料噴霧の微粒化を促進させることができる。したがって、噴口プレート１５，１６に用いる材質の制限を受けることなく、加工のしやすさや加工精度の確保の点で優れた材質を選択することができる。

また、本実施形態では、噴口面積比Ａ１／Ａ２に応じて第２噴口２３から噴出する燃料噴霧長が変化し、燃料噴霧の貫徹力が変化する。図６に、噴口面積比Ａ１／Ａ２と燃料噴霧貫徹力（燃料噴霧長）ｙとの関係を計算した結果を示す。ただし、図６では、燃料噴霧長ｙを、第１噴口２１による絞りが無い場合の噴霧長ｙｂａｓｅで割って無次元化して示している。図６に示すように、噴口面積比Ａ１／Ａ２の値が小さいほど、燃料噴霧長ｙが短くなり、燃料噴霧の貫徹力が弱くなる。そこで、図３，６から、噴口面積比Ａ１／Ａ２の値を小さくすることで、第２噴口出口速度Ｖ２を低下させて燃料噴霧の貫徹力を弱くする（燃料噴霧長を短くする）ことができる。一方、噴口面積比Ａ１／Ａ２の値を大きくすることで、第２噴口出口速度Ｖ２を増加させて燃料噴霧の貫徹力を強くする（燃料噴霧長を長くする）ことができる。

なお、特許文献１では、スリット状噴口の厚さの調整により燃料噴霧の貫徹力を調整することが可能であるが、スリット状噴口の厚さを厚くして燃料噴霧の貫徹力を強くすると、燃料噴霧の微粒化状態が悪化するため、燃料噴霧の良好な微粒化状態を維持しながら所望の噴霧貫徹力を得ることが困難である。また、特許文献２では、燃料にキャビテーション気泡を発生させようとすると、燃料噴霧の貫徹力が弱くなるため、燃料噴霧の良好な微粒化状態を維持しながら所望の噴霧貫徹力を得ることが困難である。これに対して本実施形態では、噴口面積比Ａ１／Ａ２の値の設定により、燃料噴霧の良好な微粒化状態を維持しながら所望の貫徹力（噴霧長）の燃料噴霧を得ることができ、噴霧貫徹力（噴霧長）の選択の自由度を高めることができる。

次に、本実施形態の他の構成例について説明する。

図７Ａ，７Ｂに示す構成例では、第２噴口２３の出口が噴口プレート１６における外部へ湾曲した凸曲面（例えば球面）１６ａに形成されており、第２噴口２３の出口側開口面２３ｂがスリット長手方向において外部へ湾曲した凸曲面形状である。これによって、第２噴口２３の流路長さがスリット長手方向に関して均等化されるため、第２噴口２３の出口における燃料の流速をスリット長手方向に関して均等化することができる。したがって、ほぼ均一な噴霧濃度の扇状噴霧膜を形成することができるので、燃料噴霧の微粒化をさらに促進させることができる。

また、図８Ａ，８Ｂに示す構成例では、複数の第１噴口２１が噴口プレート１５の径方向に沿って間隔をおいて直線状に配列されている。図８Ａに示す構成例では、各第１噴口２１が円形噴口であり、各第１噴口２１の横断面形状が円形である。一方、図８Ｂに示す構成例では、各第１噴口２１がスリット状噴口であり、各第１噴口２１のスリット長手方向が第１噴口２１の配列方向と一致している。図８Ａ，８Ｂでは、第１噴口２１の配列方向が第２噴口２３のスリット長手方向と垂直である例を示しているが、第１噴口２１の配列方向と第２噴口２３のスリット長手方向との成す角度については任意に設定することができる。

また、図８Ｃに示す構成例では、複数の第１噴口２１が噴口プレート１５の周方向に沿って間隔をおいて配列されている。そして、各第１噴口２１が円形噴口であり、各第１噴口２１の横断面形状が円形である。

また、図８Ｄ，８Ｅに示す構成例では、複数の第１噴口２１が噴口プレート１５の径方向に間隔をおいて配列されている。そして、各第１噴口２１がスリット状噴口であり、各第１噴口２１のスリット長手方向が第１噴口２１の配列方向と垂直である。図８Ｄに示す構成例では、第２噴口２３のスリット長手方向が各第１噴口２１のスリット長手方向と垂直（第１噴口２１の配列方向と平行）であり、図８Ｅに示す構成例では、第２噴口２３のスリット長手方向が各第１噴口２１のスリット長手方向と平行（第１噴口２１の配列方向と垂直）である。ただし、第１噴口２１のスリット長手方向と第２噴口２３のスリット長手方向との成す角度については任意に設定することができる。

また、図９Ａ，９Ｂに示す構成例では、噴口プレート１６に複数の第２噴口２３（２つのスリット状噴口）が形成されている。そして、各第２噴口２３の軸心がノズルボディ７の軸心に対して傾斜しており、２つの第２噴口２３の軸心同士が所定の角度を成している。

なお、第１噴口２１が複数設けられている例では、各第１噴口２１入口の流路面積の合計値を第１噴口２１入口の流路面積Ａ１とし、第２噴口２３が複数設けられている例では、各第２噴口２３入口の流路面積の合計値を第１噴口２１入口の流路面積Ａ２とする。

また、本実施形態では、第１噴口２１の長さや幅、より具体的には、第１噴口２１がスリット状噴口でその横断面形状が略長方形（スリット形状）である場合は第１噴口２１の長さ（図１ＡのＬ１）と短い方の幅（図１ＡのＤ１）との比Ｌ１／Ｄ１、第１噴口２１が円形噴口でその横断面形状が円形である場合は第１噴口２１の長さＬ１と直径Ｄ１との比Ｌ１／Ｄ１も、第２噴口２３から噴出する燃料噴霧の微粒化状態に影響を与える。以下の説明では、Ｌ１／Ｄ１を第１噴口２１の長さ／幅比とする。

図１０に、第１噴口２１の長さ／幅比Ｌ１／Ｄ１と第１噴口２１出口部における乱流エネルギーとの関係を計算した結果を示す。乱流エネルギーの値は供給圧力や寸法諸元によって変化するが、傾向が大きく変化することはない。図１０に示す結果から、第１噴口２１の長さ／幅比Ｌ１／Ｄ１の値が小さいほど、第１噴口２１出口部における乱流エネルギーが大きいことがわかる。この乱流エネルギーが大きいと、乱流室２２内の燃料流れに発生する乱れが強くなり、第２噴口２３から噴出する燃料噴霧に生じる乱れも強くなるため、燃料噴霧の微粒化が促進される。図１０の乱流エネルギーの値を微分した結果、つまり第１噴口２１の長さ／幅比Ｌ１／Ｄ１と第１噴口２１出口部における乱流エネルギーの変化率との関係を図１１に示す。図１１に示す結果から、長さ／幅比Ｌ１／Ｄ１の値が大きくなるのにしたがって、乱流エネルギーの変化率の絶対値が小さくなる傾向を示し、Ｌ１／Ｄ１＞３の範囲では乱流エネルギーの変化率の絶対値が小さいことがわかる。この結果と図１２に示す平均粒径の結果とを比較する。図１２は、第１噴口２１の長さ／幅比Ｌ１／Ｄ１と第２噴口２３から噴出する燃料噴霧の微粒化性能（平均粒径）ｄとの関係を実験により測定した結果を示す。ただし、図１２では、燃料噴霧の平均粒径ｄを、第１噴口２１による絞りが無い場合の平均粒径ｄｂａｓｅで割って無次元化して示している。図１１，１２から、乱流エネルギーの変化率の絶対値が大きいＬ１／Ｄ１≦３の範囲では平均粒径ｄの変化が大きいのに対して、乱流エネルギーの変化率の絶対値が小さいＬ１／Ｄ１＞３の範囲では平均粒径ｄの変化が小さくなることがわかる。そして、Ｌ１／Ｄ１≦３の範囲では、第１噴口２１による絞りが無い場合と比較して、燃料噴霧の平均粒径ｄが小さくなり、燃料噴霧の微粒化が促進されていることがわかる。

以上のことから、第１噴口２１の横断面形状が円形である場合は、第１噴口２１の長さＬ１と直径Ｄ１との比Ｌ１／Ｄ１が３以下の状態で燃料を第２噴口２３から噴射することにより、第１噴口２１出口部で大きい乱流エネルギーを燃料に与えることができ、第２噴口２３から噴出する燃料噴霧の微粒化をさらに促進させることができる。また、第１噴口２１の横断面形状が略長方形（スリット形状）である場合は、第１噴口２１の長さＬ１と短い方の幅Ｄ１との比Ｌ１／Ｄ１が３以下の状態で燃料を第２噴口２３から噴射することにより、第１噴口２１出口部で大きい乱流エネルギーを燃料に与えることができ、第２噴口２３から噴出する燃料噴霧の微粒化をさらに促進させることができる。

また、本実施形態では、図１３Ａ，１３Ｂに示すように、第１噴口２１の横断面積（流路面積）を、燃料室１８側から乱流室２２側にかけて（燃料流れの上流側から下流側にかけて）ステップ的に急拡大することもできる。図１３Ａ，１３Ｂに示す例では、第１噴口２１が上流側噴口３１と、上流側噴口３１より乱流室２２側（燃料流れの下流側）に配置された下流側噴口３２とにより構成されており、上流側噴口３１及び下流側噴口３２がいずれもスリット状噴口で、その横断面形状が概ね長方形（スリット形状）である。そして、下流側噴口３２の短い方の幅Ｄ１ｄが上流側噴口３１の短い方の幅Ｄ１ｕより広く設定されており、下流側噴口３２の横断面積（流路面積）が上流側噴口３１の横断面積（流路面積）より大きく設定されている。このように、上流側噴口３１から下流側噴口３２にかけての流れを急拡大流れとすることで、上流側噴口３１と下流側噴口３２との段付部分３３でキャビテーション気泡が発生する。このキャビテーション気泡の発生により、第２噴口２３から噴出する燃料噴霧の微粒化をさらに促進させることができる。なお、上流側噴口３１及び下流側噴口３２がいずれも円形噴口で、その横断面形状が円形である場合は、下流側噴口３２の直径Ｄ１ｄを上流側噴口３１の直径Ｄ１ｕより大きく設定する（下流側噴口３２の流路面積を上流側噴口３１の流路面積より大きく設定する）ことで、上流側噴口３１と下流側噴口３２との段付部分３３でキャビテーション気泡を発生させることができる。

図１４に、均質燃焼させる直噴ガソリンエンジンを想定し、燃料供給圧力を１２ＭＰａに設定して第１噴口２１出口におけるボイド率（燃料蒸気体積／蒸気相と液相の燃料体積の合計）を計算した結果を示す。図１４では、横軸を、下流側噴口３２の直径（あるいは短い方の幅）Ｄ１ｄと上流側噴口３１の直径（あるいは短い方の幅）Ｄ１ｕとの差の１／２の値を下流側噴口３２の長さＬ２で割った値（Ｄ１ｄ−Ｄ１ｕ）／２／Ｌ２としている。図１４に示す結果から、（Ｄ１ｄ−Ｄ１ｕ）／２／Ｌ２の値が０．０３以上の範囲ではボイド率が０．４以上であり、キャビテーション気泡が大量に発生することがわかる。したがって、（Ｄ１ｄ−Ｄ１ｕ）／２／Ｌ２の値を０．０３以上に設定することにより、第１噴口２１でキャビテーション気泡を効果的に発生させて第２噴口２３から噴出する燃料噴霧の微粒化をさらに促進させることができる。

図１５Ａに、第１噴口２１のボイド率分布を計算した結果を示す。ボイド率が０．８以上の高ボイド率領域は、図１５Ａに示すように、上流側噴口３１と下流側噴口３２との段付部分３３に存在し、下流に延びている。図１５Ａに示すように、段付部分３３で剥離した流れが第１噴口２１（下流側噴口３２）内で再付着する場合には、第１噴口２１内が飽和蒸気圧以下に保たれていてキャビテーションが発生し、乱流室２２内にキャビテーション気泡が効果的に導入される。ただし、第１噴口２１内で再付着しないで剥離したまま流出するような条件になると、図１５Ｂに示すように、第１噴口２１出口の剥離領域から乱流室２２内の燃料が逆流して圧力が高くなるため、キャビテーション気泡が乱流室２２内に流入しなくなる。第１噴口２１内におけるキャビテーション領域の長さＬｖと（Ｄ１ｄ−Ｄ１ｕ）／２／Ｌ２との関係を計算した結果を図１６に示す。図１６の縦軸のキャビテーション長さＬｖは、ボイド率が０．８より高い領域の長さとしている。図１６に示す結果から、（Ｄ１ｄ−Ｄ１ｕ）／２／Ｌ２の値の増加に伴ってキャビテーション長さＬｖが増加し、ほぼ一定の傾きで変化していることがわかる。第１噴口２１内で剥離した燃料を再付着させるには、下流側噴口３２の長さＬ２をキャビテーション長さＬｖ以上とすればよい。

図１６の縦軸を、キャビテーション長さＬｖで（Ｄ１ｄ−Ｄ１ｕ）／２を割った（Ｄ１ｄ−Ｄ１ｕ）／２／Ｌｖで表すと、図１７に示すようになり、（Ｄ１ｄ−Ｄ１ｕ）／２／Ｌｖ≒０．１で近似することができる。前述のように、乱流室２２内にキャビテーション気泡を導入させるには、Ｌ２≧Ｌｖとすればよい。この２つの関係式から、（Ｄ１ｄ−Ｄ１ｕ）／２／Ｌ２の値を０．１以下に設定することで、段付部分３３で剥離した流れが第１噴口２１内で再付着し、キャビテーション気泡を乱流室２２内に効果的に導入することができる。

以上の結果から、０．４以上のボイド率を確保しつつ、段付部分３３で剥離した流れを第１噴口２１内で再付着させてキャビテーション気泡を乱流室２２内に効果的に導くには、以下の（１）式を満たすようにＤ１ｄ，Ｄ１ｕ１，Ｌ２の値を設定することが好ましい。なお、第１噴口２１でキャビテーション気泡を発生させる場合は、壊食に強い材質を噴口プレート１５，１６に用いることが好ましい。

０．０３≦（Ｄ１ｄ−Ｄ１ｕ）／２／Ｌ２≦０．１ （１）

また、上記に説明したキャビテーション気泡を発生させるための構成については、第２噴口２３に適用することもできる。例えば図１８Ａ，１８Ｂに示すように、第２噴口２３の横断面積（流路面積）を、乱流室２２側から噴射弁外部側にかけて（燃料流れの上流側から下流側にかけて）ステップ的に急拡大することもできる。これによって、第２噴口２３でキャビテーション気泡を発生させることができ、第２噴口２３から噴出する燃料噴霧の微粒化をさらに促進させることができる。なお、第２噴口２３でキャビテーション気泡を発生させる場合は、壊食に強い材質を噴口プレート１６に用いることが好ましい。

以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

本発明の実施形態に係る燃料噴射弁の概略構成を示す図である。 本発明の実施形態に係る燃料噴射弁の概略構成を示す図である。 本発明の実施形態に係る燃料噴射弁の概略構成を示す図である。 噴口面積比Ａ１／Ａ２と第１噴口出口速度Ｖ１との関係を計算した結果を示す図である。 噴口面積比Ａ１／Ａ２と第２噴口出口速度Ｖ２との関係を計算した結果を示す図である。 噴口面積比Ａ１／Ａ２と第１噴口におけるキャビテーション数ＣＮとの関係を計算した結果を示す図である。 噴口面積比Ａ１／Ａ２と燃料噴霧の平均粒径ｄとの関係を実験により測定した結果を示す図である。 噴口面積比Ａ１／Ａ２と燃料噴霧長ｙとの関係を計算した結果を示す図である。 本発明の実施形態に係る燃料噴射弁の他の概略構成を示す図である。 本発明の実施形態に係る燃料噴射弁の他の概略構成を示す図である。 本発明の実施形態に係る燃料噴射弁の他の概略構成を示す図である。 本発明の実施形態に係る燃料噴射弁の他の概略構成を示す図である。 本発明の実施形態に係る燃料噴射弁の他の概略構成を示す図である。 本発明の実施形態に係る燃料噴射弁の他の概略構成を示す図である。 本発明の実施形態に係る燃料噴射弁の他の概略構成を示す図である。 本発明の実施形態に係る燃料噴射弁の他の概略構成を示す図である。 本発明の実施形態に係る燃料噴射弁の他の概略構成を示す図である。 第１噴口の長さ／幅比Ｌ１／Ｄ１と第１噴口出口部における乱流エネルギーとの関係を計算した結果を示す図である。 第１噴口の長さ／幅比Ｌ１／Ｄ１と第１噴口出口部における乱流エネルギーの変化率との関係を計算した結果を示す図である。 第１噴口の長さ／幅比Ｌ１／Ｄ１と燃料噴霧の平均粒径ｄとの関係を実験により測定した結果を示す図である。 本発明の実施形態に係る燃料噴射弁の他の概略構成を示す図である。 本発明の実施形態に係る燃料噴射弁の他の概略構成を示す図である。 第１噴口の諸元とボイド率との関係を計算した結果を示す図である。 第１噴口のボイド率分布を計算した結果の一例を示す図である。 第１噴口のボイド率分布を計算した結果の一例を示す図である。 第１噴口の諸元とキャビテーション長さＬｖとの関係を計算した結果を示す図である。 第１噴口の諸元とキャビテーション長さＬｖとの関係を計算した結果を示す図である。 本発明の実施形態に係る燃料噴射弁の他の概略構成を示す図である。 本発明の実施形態に係る燃料噴射弁の他の概略構成を示す図である。

符号の説明

４ ニードル、７ ノズルボディ、１５，１６ 噴口プレート、１８ 燃料室、２１ 第１噴口、２２ 乱流室、２３ 第２噴口、３１ 上流側噴口、３２ 下流側噴口、３３ 段付部分。

Claims (14)

1. ノズルボディ内部の燃料室に供給された燃料が噴口を通って噴射される燃料噴射弁であって、
   噴口は、
   燃料室に供給された燃料が流入する第１噴口と、
   第１噴口から流入した燃料に乱流を発生させるための乱流室と、
   乱流室で乱流が発生した燃料を噴射する第２噴口と、
   を含む、燃料噴射弁。
2. 請求項１に記載の燃料噴射弁であって、
   第１噴口入口の流路面積と第２噴口入口の流路面積との比が３以下の状態で、燃料を第２噴口から噴射する、燃料噴射弁。
3. 請求項２に記載の燃料噴射弁であって、
   第１噴口入口の流路面積と第２噴口入口の流路面積との比が２以下の状態で、燃料を第２噴口から噴射する、燃料噴射弁。
4. 請求項１〜３のいずれか１に記載の燃料噴射弁であって、
   第１噴口入口の流路面積と第２噴口入口の流路面積との比が０．５以上の状態で、燃料を第２噴口から噴射する、燃料噴射弁。
5. 請求項４に記載の燃料噴射弁であって、
   第１噴口入口の流路面積と第２噴口入口の流路面積との比が１以上の状態で、燃料を第２噴口から噴射する、燃料噴射弁。
6. 請求項１〜５のいずれか１に記載の燃料噴射弁であって、
   第１噴口の横断面形状が円形である場合に、第１噴口の長さと直径との比が３以下の状態で、燃料を第２噴口から噴射する、燃料噴射弁。
7. 請求項１〜５のいずれか１に記載の燃料噴射弁であって、
   第１噴口の横断面形状が略長方形である場合に、第１噴口の長さと短い方の幅との比が３以下の状態で、燃料を第２噴口から噴射する、燃料噴射弁。
8. 請求項１〜７のいずれか１に記載の燃料噴射弁であって、
   第１噴口の流路面積が、燃料流れの上流側から下流側にかけてステップ的に拡大している、燃料噴射弁。
9. 請求項１〜６のいずれか１に係る請求項８に記載の燃料噴射弁であって、
   第１噴口は、上流側噴口と下流側噴口とを含み、
   上流側噴口及び下流側噴口の横断面形状が円形である場合に、下流側噴口の直径Ｄ１ｄが上流側噴口の直径Ｄ１ｕより大きく設定されており、
   下流側噴口の長さをＬ２とすると、
   ０．０３≦（Ｄ１ｄ−Ｄ１ｕ）／２／Ｌ２≦０．１
   を満たすようにＤ１ｄ，Ｄ１ｕ１，Ｌ２の値が設定されている、燃料噴射弁。
10. 請求項１〜５，７のいずれか１に係る請求項８に記載の燃料噴射弁であって、
    第１噴口は、上流側噴口と下流側噴口とを含み、
    上流側噴口及び下流側噴口の横断面形状が略長方形である場合に、下流側噴口の短い方の幅Ｄ１ｄが上流側噴口の短い方の幅Ｄ１ｕより大きく設定されており、
    下流側噴口の長さをＬ２とすると、
    ０．０３≦（Ｄ１ｄ−Ｄ１ｕ）／２／Ｌ２≦０．１
    を満たすようにＤ１ｄ，Ｄ１ｕ１，Ｌ２の値が設定されている、燃料噴射弁。
11. 請求項１〜１０のいずれか１に記載の燃料噴射弁であって、
    第２噴口の流路面積が、燃料流れの上流側から下流側にかけてステップ的に拡大している、燃料噴射弁。
12. 請求項１〜１１のいずれか１に記載の燃料噴射弁であって、
    第１噴口の流路面積が燃料室の流路面積より小さく、
    第１噴口から乱流室にかけて燃料の流路面積がステップ的に拡大している、燃料噴射弁。
13. 請求項１〜１２のいずれか１に記載の燃料噴射弁であって、
    第２噴口はスリット状噴口である、燃料噴射弁。
14. 請求項１３に記載の燃料噴射弁であって、
    スリット状噴口は、
    乱流室に開口する入口側開口面がスリット長手方向において噴口出口側へ凹んでおり、
    且つスリット長手方向の幅が燃料流れの上流側から下流側にかけて増大している、燃料噴射弁。

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