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JP2003214297A - ディーゼル機関の燃料噴射弁 - Google Patents

ディーゼル機関の燃料噴射弁

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Publication number
JP2003214297A
JP2003214297A JP2002015478A JP2002015478A JP2003214297A JP 2003214297 A JP2003214297 A JP 2003214297A JP 2002015478 A JP2002015478 A JP 2002015478A JP 2002015478 A JP2002015478 A JP 2002015478A JP 2003214297 A JP2003214297 A JP 2003214297A
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JP
Japan
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fuel
injection port
valve
injection valve
combustion chamber
Prior art date
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Pending
Application number
JP2002015478A
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English (en)
Inventor
Keiichi Tsujimoto
圭一 辻本
Shunji Hamaoka
俊次 濱岡
Shusuke Okada
周輔 岡田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Yanmar Co Ltd
Original Assignee
Yanmar Co Ltd
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Publication date
Application filed by Yanmar Co Ltd filed Critical Yanmar Co Ltd
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Priority to US10/502,343 priority patent/US20050120995A1/en
Priority to DK02806578T priority patent/DK1469193T3/da
Priority to EP02806578A priority patent/EP1469193B1/en
Priority to CNA028274288A priority patent/CN1615399A/zh
Priority to PCT/JP2002/013423 priority patent/WO2003062631A1/ja
Priority to KR1020047011237A priority patent/KR100871266B1/ko
Priority to DE60225072T priority patent/DE60225072T2/de
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ピストンの頂面に浅皿式の燃焼室を有するデ
ィーゼル機関において、排気色を悪化させることなく燃
費を改善することができる燃料噴射弁を提供することで
ある。 【解決手段】 ピストンの頂面に浅皿式の燃焼室を有す
るディーゼル機関において、前記燃焼室に向かって突出
させて設けた燃料噴射弁の同一円周上に複数の第1噴口
が設けてあり、前記第1噴口より先端部とは反対側の燃
料噴射弁の環状側壁に第1噴口より小径の複数の第2噴
口が設けてあり、前記第1噴口及び第2噴口から噴射さ
れる燃料噴霧が、燃焼室内で互いに重ならないように前
記第1噴口と第2噴口とを千鳥状に配置した。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、ピストンの頂面に
浅皿式の燃焼室を形成したディーゼル機関の燃料噴射弁
に関するものである。
【0002】
【従来の技術】ピストン頂面に浅皿式の燃焼室を備えた
従来のディーゼル機関では、燃費を低減するために燃料
を噴射する噴口の噴口径を大きくする方法が一般に採用
されている。噴口径を大きくすると、噴霧の微粒化が悪
化し、排気色が悪化する。
【0003】そこで噴口径を小さくして噴口数を増やす
ことが考えられるが、それでは噴口間の間隔が小さくな
って噴霧同士が重なり易くなり、導入空気量が不足す
る。この空気量の不足を補うために給気圧力を上昇させ
ると、筒内圧が上昇し、NOの発生量が増加する。こ
のNOの増加を回避するために燃料の噴射時期を遅延
させると、結局は排気色の悪化を招いてしまう。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】そこで本発明では、ピ
ストンの頂面に浅皿式の燃焼室を有するディーゼル機関
において、NO発生量の増加を抑制し排気色を悪化さ
せることなく燃費を改善することができる燃料噴射弁を
提供することを課題としている。
【0005】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
請求項1の発明では、ピストンの頂面に浅皿式の燃焼室
を有するディーゼル機関において、前記燃焼室に向かっ
て突出させて設けた燃料噴射弁の同一円周上に複数の第
1噴口が設けてあり、前記第1噴口より先端部とは反対
側の燃料噴射弁の環状側壁に第1噴口より小径の複数の
第2噴口が設けてあり、前記第1噴口及び第2噴口から
噴射される燃料噴霧が、燃焼室内で互いに重ならないよ
うに前記第1噴口と第2噴口とを千鳥状に配置するよう
にした。請求項2の発明では請求項1の発明において、
ピストンが上死点近傍にあるときに、ピストン頂面の燃
焼室開口部に第2噴口から噴射された燃料噴霧が衝突す
るように、弁リセスを不要にするトップクリアランスと
ピストン頂面の燃焼室開口径とを設定した。請求項3の
発明では請求項1又は請求項2の発明において、第2噴
口数よりも第1噴口数の方を多くした。請求項4の発明
では請求項1の発明において、第2噴口から噴射された
燃料噴霧がピストンに衝突したのちにトップクリアラン
ス部に拡散するように第2噴口の燃料弁噴口角を設定し
た。請求項5の発明では請求項1の発明において、第1
噴口から噴射された燃料噴霧が、燃焼室底面に衝突しか
つ付着しないように第1噴口の噴口角を設定した。請求
項6の発明では請求項1の発明において、第1噴口およ
び第2噴口を燃料噴射弁の円周上に等間隔に配置した。
請求項7の発明では請求項1の発明において、第1噴口
から噴射される燃料噴霧と第2噴口から噴射される燃料
噴霧とが重ならないように、燃料噴射弁の中心軸と第1
噴口から噴射される燃料噴霧の中心線の交点と、燃料噴
射弁の中心軸と第2噴口から噴射される燃料噴霧の中心
線の交点とが一致しないように第1噴口と第2噴口とを
設置した。
【0006】
【発明の実施の形態】図1は、請求項1の発明を実施し
たディーゼル機関の燃料噴射弁1の縦断正面図であり、
また、図4は燃料噴射弁1の拡大図である。図1に示す
ように燃料噴射弁1は、複数の下部噴口2(第1噴口)
と複数の上部噴口3(第2噴口)とを備えた先端部を燃
焼室16内に突出させてシリンダヘッド17に設けてあ
る。
【0007】燃料噴射弁1内の空洞には弁体6が設けて
あり、弁体6は図示しない駆動手段(例えば、燃料圧力
を利用したリフト機構,電磁弁等)により空洞内を上下
方向に往復移動可能になっている。また、図4に示すよ
うに燃料噴射弁1内の空洞内には燃料8が加圧供給され
ており、弁体6が燃料噴射弁1内に形成した座7に着床
する、又は座7から離間することにより、下部噴口2及
び上部噴口3から燃焼室16内に燃料を噴射させ、又は
燃料の噴射を停止させることができるようになってい
る。図1,図4は弁体6が座7から離間している状態を
示している。
【0008】図5は、燃料噴射弁1の底面略図である。
図5に示すように下部噴口2は、燃料噴射弁1の下端
(燃焼室16側の先端)付近の同一円周上に角度r
(r=45度)の等間隔で8つ設けてある。
【0009】また、上部噴口3は、下部噴口2よりも上
方(シリンダヘッド側)に角度r(r=90度)の
等間隔で4つ設けてある。図5に示すように上部噴口3
は、隣接する2つの下部噴口2の中間に配置されてい
る。また、図5に示すように上部噴口3の口径は下部噴
口2の口径よりも小さく設定されている。
【0010】なお、図1(後述する図2も同様)におい
ては、下部噴口2と上部噴口3とを同一断面内に記載し
てあるが、これは下部噴口2と上部噴口3の位置関係を
説明するために便宜上同一断面内に記載したものであ
る。
【0011】図1に示すようにシリンダヘッド17の下
面と対向するピストン14の頂面15には、浅皿式燃焼
室(窪み)が形成されている。図2は、燃料噴射弁1の
弁体6が座7に着床した状態のディーゼル機関の燃料噴
射弁1の縦断正面図である。浅皿式燃焼室とは、一般に
燃焼室16の深さHが燃焼室開口径Dの10%程度の燃
焼室(窪み)であると定義されており、特に本発明の実
施対象の浅皿式燃焼室には、図2に示すように窪みの中
央に隆起部19が設けられている。
【0012】隆起部19の高さhの値は、燃焼室16の
深さHの値よりも若干小さく、燃焼室開口径Dと関連付
けて示すと、例えば H/D=0.11,h/D=0.
10となる。
【0013】下部噴口2の噴霧中心線5と燃料噴射弁1
の中心軸11との交点10(延長中心)と、上部噴口3
の噴霧中心線4と燃料噴射弁1の中心軸11との交点9
(延長中心)とは、図4に示すように間隔Lだけ離間す
るように設定されている。
【0014】噴霧中心線5と頂面15との交点40から
交点10までの距離をL、下部噴口2の噴口直径をD
とすると、LとDは式(1)の関係を満たしてい
る。 L/D=150〜250・・・・・(1)
【0015】また、噴霧中心線4と頂面15との交点4
1から交点9までの距離をL、上部噴口3の噴口直径
をDとすると、LとDは式(2)の関係を満た
す。 L/D=300〜400・・・・・(2)
【0016】ピストン14が上昇して圧縮行程に入り、
図1に示すTDC付近になると、図示しない駆動手段に
より弁体6を座7から離間させ、燃料8(図4)を下部
噴口2からは噴霧13として燃焼室16内に噴射し、ま
た、上部噴口3からは噴霧12として燃焼室16内に噴
射する。
【0017】噴霧13は、ピストン14の頂面の隆起部
19に沿って円滑に拡散する。また、噴霧12と噴霧1
3とは、燃焼室16内で互いに重なり合わず、したがっ
て燃焼室16内で燃料の濃い領域を作らないため、良好
な燃焼が行われる。
【0018】図3は、請求項2の発明を実施したディー
ゼル機関の燃料噴射弁20の断面略図である。図3に示
すピストン29はTDC位置にあり、トップクリアラン
スとして間隔Xが設定されている。
【0019】シリンダヘッド33には吸気通路34と排
気通路35とが設けてある。吸気通路34には給気弁2
5が設けてあり、排気通路35には排気弁26が設けて
ある。給気弁25を開くと燃焼室36内には吸気通路3
4から空気(図示しない過給機により生成した圧縮空
気)が供給され、排気弁26を開くと燃焼室36内の燃
焼ガス(排気ガス)が排気通路35を介して排出される
ようになっている。図3においては、説明の都合上、便
宜的に給気弁25と排気弁26とを同一断面内に記載し
てある。また図3では燃料を噴射中であるが、後述の間
隔Yを説明するために便宜的に排気弁26を開いた状態
を図示している。
【0020】トップクリアランス(間隔X)が十分に確
保されていないと、オーバラップ時において開いた排気
弁26(給気弁25も同様)がピストン29の頂面32
に衝突する恐れがある。そのため、従来ではピストン2
9に弁リセス(窪み)を設け、両者の衝突を回避するよ
うにしていた。ピストン29に弁リセスを設けると、高
温の頂面32を冷却するオイルギャラリ30の上限が制
約を受け、弁リセス以外の部分の肉厚が厚くなり、頂面
32の冷却性が悪化し、頂面32の熱負荷が増大する。
【0021】ところが請求項2の発明では、トップクリ
アランスとして間隔Xを確保することにより、開いた排
気弁26(給気弁25も同様)とピストン29の頂面3
2との間には間隔Yが確保されて両者が衝突する恐れが
なくなり、弁リセスは不要である。そのためオイルギャ
ラリ30は、頂面32が良好な冷却性を呈することがで
きるように設けることができ、頂面32の熱負荷を効果
的に低減することができる。
【0022】燃料噴射弁20の構造は、図1の燃料噴射
弁1の構造とほぼ同じである。下部噴口21からは噴霧
中心線23を中心として噴霧27が噴射され、上部噴口
22からは噴霧中心線24を中心として噴霧28が噴射
される。噴霧27は、ピストン29の頂面の隆起部39
に沿って円滑に拡散する。
【0023】噴霧27と噴霧28は、燃焼室36内で互
いに混合することはなく、噴霧中心線24は、TDC位
置におけるピストン29の頂面32に形成した浅皿式燃
焼室(窪み)の開口部18の範囲内に入るように設定さ
れている。ここで、燃料噴射弁20の中心軸37と噴霧
中心線24のなす角を燃料弁噴口角r,中心軸37と
噴霧中心線23のなす角を燃料弁噴口角rと定義す
る。
【0024】噴霧中心線24を開口部18の範囲内に入
るように燃料弁噴口角rを設定することにより、高温
の噴霧28がピストン29に到達する前に、直接シリン
ダヘッド33の下面やシリンダライナ31の内壁面に到
達することがなくなり、シリンダヘッド33とシリンダ
ライナ31の温度上昇を抑制することができる。したが
って、シリンダヘッド33とシリンダライナ31の信頼
性が向上し、ディーゼル機関の性能を良好に維持するこ
とができる。一方、高温の噴霧28が到達するピストン
29の頂面32は、オイルギャラリ30内のオイルによ
り適度に冷却される。
【0025】また、下部噴口21から噴射された噴霧2
7が燃焼室36の底面(ピストン29の浅皿式燃焼室の
底面)に沿って円滑に拡散するように、かつ、噴霧27
が噴霧28と重ならないように燃料弁噴口角rを設定
する。
【0026】燃料弁噴口角rは、燃焼室深さHやトッ
プクリアランスとの兼合いにより変動する。しかし、噴
口直径Dと距離Lが上述した式(2)の関係を満た
すように燃料弁噴口角rを設定すると、噴霧27が燃
焼室36の底面に衝突しかつ付着することを回避でき、
かつ、燃焼室36の底面への衝突により噴霧27を円滑
に拡散させることができる。
【0027】上述の式(1)及び式(2)を満たし、か
つ下部噴口21の燃料弁噴口角rを60度以下に設定
すると、図7のグラフに示すように、排気色を良好に保
つことができる。
【0028】一例として下部噴口21(2)と上部噴口
22(3)の設定を示すと、下部噴口21の口径を0.
25〜0.40mm,燃料弁噴口角rを60〜70度
とした場合には、上部噴口22の口径は0.10〜0.
25mm,燃料弁噴口角rは75〜85度程度で、噴
口数比は、上部噴口数/下部噴口数=1/2とすること
ができる。
【0029】弁リセスを設けると、ピストン29の上端
部分の円周上を均一な肉厚に形成することは不可能に近
く、したがって均一に冷却することが困難であるため、
弁リセスがない場合よりも熱負荷の偏りが生じ易く、ま
た、高温化によりピストンの強度が低下してしまうが、
予めトップクリアランス(間隔X)が確保されていると
弁リセスを設けずに済むので、ピストン29の熱負荷の
偏りを生じさせずに済み、強度的に安定した信頼性の高
いピストン29を構成することができる。
【0030】図5に示すように上部噴口22(3)の数
は下部噴口21(2)の数よりも少なく設定して両者を
千鳥状(不完全な千鳥配置)に配置すると、燃料8の噴
霧同士が重なりにくく好ましいが、噴霧12,13(図
1)や噴霧27,28(図3)が重ならず、空気と一様
に混合して一様な燃焼が行われる限り、両者を同数にし
て完全な千鳥配置としても差し支えない。
【0031】以上のように下部噴口2(21)と上部噴
口3(22)とを設定すると、図6のグラフに示すよう
に、従来のディーゼル機関と比較して本発明(請求項1
〜7の発明)では排気ガス中に含まれるNO発生量を
一定に維持したまま燃料消費量を5〜10%程度低減す
ることができる。
【0032】また、下部噴口2(21)の総噴口面積と
上部噴口3(22)の総噴口面積の総和に対する下部噴
口2(21)のみの総噴口面積の割合が70〜90%の
範囲内であれば、図8のグラフに示すように燃費と排気
色の両方を良好に保つことができることがわかる。
【0033】図5では下部噴口2の数を8つ,上部噴口
の数を4つとしたが、各噴口から噴射される噴霧13,
12が燃焼室16内で互いに重ならないように設定する
ことができれば、噴口数に制限はない。ただ、浅皿式の
燃焼室16を備えたディーゼル機関においては、下部噴
口2の噴口数を上部噴口3の噴口数よりも多くなるよう
に設定すると、排気色を良好に保ちながら燃費の低減化
を図ることができて好ましい。
【0034】
【発明の効果】請求項1の発明では、ピストン14の頂
面に浅皿式の燃焼室を備えたディーゼル機関において、
燃料噴射弁1に下部噴口2(第1噴口)と上部噴口3
(第2噴口)とを設け、下部噴口2の口径よりも上部噴
口3の口径を小さく設定し、下部噴口2と上部噴口3と
を千鳥状に配置したので、下部噴口2から噴射される燃
料の噴霧13と上部噴口3から噴射される燃料の噴霧1
2とが互いに重ならないようにすることができ、燃焼室
16内で空気と燃料の一様な濃度の混合気を生成するこ
とができ、したがって一様な燃焼を行うことができるの
で、NOの排出を抑制しながら燃費を低減することが
できる。
【0035】請求項2の発明では、トップクリアランス
(間隔X)を確保するようにしたので、燃焼室36の上
部空間を有効に利用することができ、排気色を良好に保
ちながら燃費の低減を図ることができる。予めトップク
リアランス(間隔X)を確保するようにしたので、ピス
トン29の熱負荷の増加を防止することができる。
【0036】熱効率を上げるために圧縮比を上げると、
トップクリアランスが小さくなり、開いた排気弁とピス
トンが衝突する恐れが出てくるが、請求項2の発明では
弁リセスを不要にするだけのトップクリアランス(間隔
X)を確保しているので、燃費の低減を図り、かつ排気
色を良好に保ちながらピストン29と開いた排気弁26
(オーバラップ時の給気弁25も同様)との衝突を回避
することができる。
【0037】請求項3の発明では、下部噴口2(21)
(第1噴口)の噴口数を上部噴口3(22)(第2噴
口)の噴口数よりも多くなるようにしたので、下部噴口
2(21)から噴射される燃料の噴霧13(27)と上
部噴口3(22)から噴射される燃料の噴霧12(2
8)とが互いに重ならず、また、下部の噴霧は燃焼室壁
面に付着することなく衝突し拡散するため空気と一様に
混合して一様な燃焼を行うことができ、排気色を良好に
することができる。
【0038】請求項4の発明によると、上部噴口22か
ら噴射された高温の燃料の噴霧28が、ピストン29に
衝突したのちにトップクリアランス部に拡散するように
したので、シリンダヘッド33とシリンダライナ31の
熱負荷を軽減することができ、信頼性を向上させること
ができる。
【0039】請求項5の発明では、下部噴口21から噴
射された燃料の噴霧27が燃焼室36の底面に衝突しか
つ付着しないように燃料弁噴口角rを設定し、噴霧2
7が円滑に拡散することができるようにしたので、全運
転領域のうち、特に無負荷時における排気色を良好にす
ることができる。
【0040】請求項6の発明では、下部噴口2と上部噴
口3を燃料噴射弁1の円周上に等間隔に配置するように
したので、噴霧同士の重なりを回避することができ、排
気色の悪化を防止することができる。
【0041】請求項7の発明では、下部噴口2から噴射
される噴霧13の噴霧中心線5と燃料噴射弁1の中心軸
11の交点と、上部噴口3から噴射される噴霧12の噴
霧中心線4と燃料噴射弁1の中心軸11の交点とが重な
らないように下部噴口2と上部噴口3とを燃料噴射弁1
に設けたので、噴霧12と噴霧13とが互いに重なるこ
とがなく、排気色を良好に保つことができる。また、下
部噴口2と上部噴口3の間隔を確保し易く、各噴口間の
肉厚を確保できるので、燃料噴射弁1の強度的な信頼性
が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 請求項1の発明を実施したディーゼル機関の
燃料噴射弁の断面略図である。
【図2】 図1の燃料噴射弁の弁体が座に着床した状態
のディーゼル機関の燃料噴射弁の縦断正面図である。
【図3】 請求項2の発明を実施したディーゼル機関の
燃料噴射弁の断面略図である。
【図4】 燃料噴射弁の拡大図である。
【図5】 燃料噴射弁の底面略図である。
【図6】 本発明のディーゼル機関と従来のディーゼル
機関における燃料消費率とNO排出量の関係を示すグ
ラフである。
【図7】 下部噴口の燃料弁噴口角と排気色の関係を示
すグラフである。
【図8】 総噴口面積に対する下部噴口面積の和の割合
と排気色および燃費の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
1 燃料噴射弁 2 下部噴口(第1噴口) 3 上部噴口(第2噴口) 4 上部噴口の噴霧中心線 5 下部噴口の噴霧中心線 6 弁体 7 座 8 燃料 9 上部噴口の噴霧中心線と燃料噴射弁の中心軸の交
点 10 下部噴口の噴霧中心線と燃料噴射弁の中心軸の交
点 11 燃料噴射弁の中心軸 12 上部噴口から噴射される噴霧 13 下部噴口から噴射される噴霧 14 ピストン 15 ピストンの頂面 16 燃焼室 17 シリンダヘッド 18 ピストン頂面に形成した浅皿式燃焼室の開口部 19 隆起部 20 燃料噴射弁 21 下部噴口(第1噴口) 22 上部噴口(第2噴口) 23 上部噴口の噴霧中心線 24 下部噴口の噴霧中心線 25 給気弁 26 排気弁 27 下部噴口から噴射される噴霧 28 上部噴口から噴射される噴霧 29 ピストン 30 オイルギャラリ 31 シリンダライナ 32 ピストンの頂面 33 シリンダヘッド 36 燃焼室 37 燃料噴射弁の中心軸 39 隆起部 40 下部噴口の噴霧中心線5とピストン頂面の交点 41 上部噴口の噴霧中心線4とピストン頂面の交点 L 交点9と10の間隔 X トップクリアランス Y 開いた排気弁とピストン頂面の間の間隔 r 燃料噴射弁の円周上に設けた下部噴口の配置角
度 r 燃料噴射弁の円周上に設けた上部噴口の配置角
度 r 上部噴口の燃料弁噴口角度 r 下部噴口の燃料弁噴口角度
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 岡田 周輔 大阪府大阪市北区茶屋町1番32号 ヤンマ ーディーゼル株式会社内 Fターム(参考) 3G023 AA02 AA05 AB05 AC05 AD02 AD09 AD29 AF03 3G066 AA07 AB02 AD12 BA02 CC28 CC34 CC48

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ピストンの頂面に浅皿式の燃焼室を有す
    るディーゼル機関において、前記燃焼室に向かって突出
    させて設けた燃料噴射弁の同一円周上に複数の第1噴口
    が設けてあり、前記第1噴口より先端部とは反対側の燃
    料噴射弁の環状側壁に第1噴口より小径の複数の第2噴
    口が設けてあり、前記第1噴口及び第2噴口から噴射さ
    れる燃料噴霧が、燃焼室内で互いに重ならないように前
    記第1噴口と第2噴口とを千鳥状に配置したことを特徴
    とするディーゼル機関の燃料噴射弁。
  2. 【請求項2】 ピストンが上死点近傍にあるときに、ピ
    ストン頂面の燃焼室開口部に第2噴口から噴射された燃
    料噴霧が衝突するように、弁リセスを不要にするトップ
    クリアランスとピストン頂面の燃焼室開口径とを設定し
    た請求項1に記載のディーゼル機関の燃料噴射弁。
  3. 【請求項3】 第2噴口数よりも第1噴口数の方を多く
    した請求項1又は請求項2に記載のディーゼル機関の燃
    料噴射弁。
  4. 【請求項4】 第2噴口から噴射された燃料噴霧がピス
    トンに衝突したのちにトップクリアランス部に拡散する
    ように第2噴口の燃料弁噴口角を設定した請求項1に記
    載のディーゼル機関の燃料噴射弁。
  5. 【請求項5】 第1噴口から噴射された燃料噴霧が、燃
    焼室底面に衝突しかつ付着しないように第1噴口の噴口
    角を設定した請求項1に記載のディーゼル機関の燃料噴
    射弁。
  6. 【請求項6】 第1噴口および第2噴口を燃料噴射弁の
    円周上に等間隔に配置した請求項1に記載のディーゼル
    機関の燃料噴射弁。
  7. 【請求項7】 第1噴口から噴射される燃料噴霧と第2
    噴口から噴射される燃料噴霧とが重ならないように、燃
    料噴射弁の中心軸と第1噴口から噴射される燃料噴霧の
    中心線の交点と、燃料噴射弁の中心軸と第2噴口から噴
    射される燃料噴霧の中心線の交点とが一致しないように
    第1噴口と第2噴口とを設置した請求項1に記載のディ
    ーゼル機関の燃料噴射弁。
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