WO2012001802A1

WO2012001802A1 - 燃料噴射弁及び内燃機関

Info

Publication number: WO2012001802A1
Application number: PCT/JP2010/061239
Authority: WO
Inventors: 小林　辰夫
Original assignee: トヨタ自動車株式会社
Priority date: 2010-07-01
Filing date: 2010-07-01
Publication date: 2012-01-05
Also published as: US20120000996A1; CN102725512B; EP2589792A1; EP2589792B1; EP2589792A4; JP5115654B2; US8827187B2; EP2589792A8; JPWO2012001802A1; CN102725512A

Abstract

　燃料噴射弁は、先端部に噴孔が設けられたノズルボディと、前記ノズルボディ内に摺動自在に配置され、前記ノズルボディ内の着座位置に着座するシート部を備えたニードルと、前記ノズルボディ内を流れる燃料中に気泡を発生させる気泡発生手段と、を備え、前記噴孔の内周形状は、前記噴孔の軸線方向に沿う断面において、曲率半径をＲ、曲線長さをＬ、定数をａとしたときに、Ｒ×Ｌ＝ａ^２で表され、定数ａが０．９５であるクロソイド曲線と、定数ａが１．０５であるクロソイド曲線とで囲まれる領域又はこれらのクロソイド曲線の近似曲線で囲まれる領域を通過する曲線部分を含んでいる。

Description

燃料噴射弁及び内燃機関

　本発明は燃料噴射弁及び内燃機関に関する。

　従来、ノズルの内部に油等と加圧空気を混合する混合室を形成し、液体と気体とを混合した状態で噴射するノズルの構造が提案されている（例えば、特許文献１）。

特開２００９－１１９３２号公報

　ところで、内燃機関の燃費や排気エミッションの改善に対し、噴射燃料の噴霧粒径の微細化が有効であることが知られている。前記特許文献１は、燃料と空気との混合を促進することができ、噴霧粒径の微細化を図ることができると考えられる。

　しかしながら、気泡が混入した燃料が噴孔から噴射されるときに、噴孔周辺の状態によっては、気泡が崩壊したり、気泡径が不均一になったりするおそれがある。気泡径が不均一であると均一な噴霧を得ることが困難となる。

　そこで本発明は、噴霧の粒径を均一にすることを課題とする。

　上記課題を解決するために本明細書開示の燃料噴射弁は、先端部に噴孔が設けられたノズルボディと、前記ノズルボディ内に摺動自在に配置され、前記ノズルボディ内の着座位置に着座するシート部を備えたニードルと、前記ノズルボディ内を流れる燃料中に気泡を発生させる気泡発生手段と、を備え、前記噴孔の内周形状は、前記噴孔の軸線方向に沿う断面において、曲率半径をＲ、曲線長さをＬ、定数をａとしたときに、Ｒ×Ｌ＝ａ^２で表され、定数ａが０．９５であるクロソイド曲線と、定数ａが１．０５であるクロソイド曲線とで囲まれる領域又はこれらのクロソイド曲線の近似曲線で囲まれる領域を通過する曲線部分を含むことを特徴としている。

　クロソイド曲線又は、クロソイド曲線の近似曲線からなる曲線部分を含むことにより、当該箇所における燃料流れの剥離を抑制することができる。気泡発生手段によって発生した気泡を含む燃料流れは、噴孔を通じて外部に噴射されるときに、噴孔の内壁面において剥離が生じると、当該箇所における負圧の影響を受け、気泡径が大きくなる。負圧の影響は、燃料流れの内側部分よりも、外側部分の方が大きい。すなわち、燃料流れに作用する負圧の分布が不均一である。そして、これに起因して、気泡径にバラツキが生じる。クロソイド曲線、クロソイド曲線の近似曲線を噴孔の内周形状に応用した場合、噴孔内を通過する燃料は、その粘性で直線から円弧へと繋ぐ緩和曲線を含む壁面に引き寄せられるコアンダ効果を得ることができる。コアンダ効果により、燃料流れは、噴孔の内壁面と剥離することがない。この結果、境界面における負圧を生じることなく燃料の流線方向が変化する。また、境界面よりも内側を流れる燃料の流線は、その粘性によって境界面を流れる燃料の影響を受けて曲げられる。このように、噴孔の中央部まで徐々に燃料の流線が変化していくことで、燃料流れは、噴孔内の全域においてほぼ均等な流速、圧力を維持しつつ、噴霧角を広げることができる。

　クロソイド曲線は、曲率半径をＲ、曲線長さをＬ、定数をａとしたときに、Ｒ×Ｌ＝ａ^２で表される。定数ａを種々変更することによってクロソイド曲線が描く軌跡は変化する。定数ａは、所望の噴霧形状を得ることができる軌跡となるように設定することができる。このとき、例えば、噴孔が設けられるノズルボディの壁厚、噴孔長さ、噴霧角、に応じて定数ａを決定することができる。そこで、一般的なノズルボディの壁厚、噴孔長さ、噴霧角として想定される範囲を考慮して、噴孔の内周形状を定めることができる。具体的には、噴孔の内周形状は、定数ａが０．９５であるクロソイド曲線と、定数ａが１．０５であるクロソイド曲線とで囲まれる領域を通過する曲線部分を含む形状とすることができる。すなわち、噴孔の内周形状は、クロソイド曲線と完全に一致するものだけでなく、上記の範囲に含まれる曲線部分を含む形状とすることもできる。

　ここで、定数ａ＝０．９５は、実験の結果、この値よりも小さくなると、燃料が適切に噴射されずに、噴孔の出口に付着してしまう、いわゆる噴霧垂れが生じ易いことから決定された値である。噴霧垂れが生じると燃料の粒は大きくなる傾向になり、均一な噴霧粒径の実現を妨げる。一方、定数ａ＝１．０５は、実験の結果、この値よりも大きくなると、生成された微細気泡同士が連結する現象が生じ易いことから決定された値である。微細気泡連結が発生すると、均一な噴霧粒径の実現を妨げる。このように、定数ａの値は、噴霧垂れと微細気泡連結の発生が抑制される範囲として規定されている。

　また、噴孔の内周形状は、クロソイド曲線の近似曲線で囲まれる領域を通過する曲線部分を含む形状とすることもできる。すなわち、曲線部分が上記のクロソイド曲線で囲まれる領域を逸脱する場合であっても、噴孔の内周形状は、クロソイド曲線の近似曲線で囲まれる領域に含まれる曲線部分を含む形状とすることができる。ここで、前記クロソイド曲線の近似曲線は、Ｘを前記噴孔の軸方向長さ、Ｙを前記噴孔の半径方向長さ、ｂ、ｃをそれぞれ定数としたときに、Ｙ＝Ｘ^ｂ／ｃで表され、前記クロソイド曲線の近似曲線で囲まれる領域は、定数ｂを３．３とし、定数ｃを５．０とした近似曲線と、定数ｂを３．３とし、定数ｃを６．３とした近似曲線とで囲まれる領域とすることができる。定数ｃを５．０とした近似曲線は、定数ａを０．９５としたクロソイド曲線に近似させており、定数ｃを６．３とした近似曲線は、定数ａを１．０５としたクロソイド曲線に近似させている。

　ここで、クロソイド曲線の近似曲線は、燃料噴射弁における噴霧半角として採用し得る値（例えば噴霧半角θ＝４０°）以下となる範囲において、元となるクロソイド曲線との誤差が２０ｕｍ以内となるような曲線を選択することができる。近似曲線を選定するために、従来周知の手法を採用することができる。例えば、クロソイド曲線上の任意の複数点をプロットし、その複数点に対して、最小二乗法を施して近似曲線を求めるようにしてもよい。クロソイド曲線の近似曲線の選定は、噴孔の内周形状の加工を考慮して選定することができる。すなわち、クロソイド曲線と同様のコアンダ効果を得ることができると共に、噴孔の内周形状の加工が容易である曲線を選定することができる。

　なお、上記の範囲を通過する曲線部分は、どのような形状であってもよいが、できるだけ、コアンダ効果を発揮することができる形状とすることが望ましい。

　前記噴孔の内周形状は、前記噴孔の軸線方向に沿う断面において、クロソイド曲線又はクロソイド曲線の近似曲線と、円弧とを接続した曲線部分を含む形状とすることができる。噴孔の出口側に円弧部分を設けることにより、噴霧角を１８０°に近づけることができる。このように噴霧角を広げることにより、噴霧距離を抑制することができる。なお、クロソイド曲線と円弧とを接続する場合、円弧は、接続部分におけるクロソイド曲線への内線円の円弧とすることができる。また、クロソイド曲線と円弧とを接続した曲線を採用する場合、その曲線の相似形を噴孔の内周形状に適合させることができる。

　本明細書開示の燃料噴射弁は、燃料噴射弁内部で発生させた気泡を含む燃料を、噴孔を通じて外部へ噴射するものである。このため、燃料噴射弁は、気泡発生手段を備える。燃料噴射弁内で、燃料の流路を急激に拡大したり、急激に屈曲したりして、燃料にキャビテーションを発生させる手段を気泡発生手段とすることができる。

　このようなキャビテーションを利用する気泡発生手段よりも細かい気泡を発生させる手段として、前記ノズルボディ内に前記ニードルが摺動自在に配置されることによって前記ニードルと前記ノズルボディとの間に形成された燃料導入路と、前記ニードルの前記シート部の上流側に形成され、前記燃料導入路から導入された燃料に旋回成分を付与する螺旋溝が形成された旋回流生成部と、前記ニードルの内部に形成された空気導入路と、前記ノズルボディの先端部に形成され、前記旋回流生成部を通過した燃料と前記空気導入路を通過した空気が導入される旋回安定室と、を備えた気泡発生手段を採用することができる。

　また、前記気泡発生手段として、ノズルボディ内に配置された超音波振動子を採用することもできる。超音波振動子は、前記ノズルボディと前記ニードルとの間に配置することができる。超音波振動子によって燃料に振動を付与することによって燃料中に微細な気泡を発生させることができる。このようにして発生した燃料を上記のような内周形状を備えた噴孔を通じて外部に噴射することにより、均一な気泡径を保った噴霧とすることができる。

　本明細書開示の内燃機関は、内燃機関本体と、先端部に噴孔が設けられたノズルボディと、前記ノズルボディ内に摺動自在に配置され、前記ノズルボディ内の着座位置に着座するシート部を備えたニードルと、前記ノズルボディ内を流れる燃料中に気泡を発生させる気泡発生手段と、を備え、前記噴孔の内周形状は、前記噴孔の軸線方向に沿う断面において、曲率半径をＲ、曲線長さをＬ、定数をａとしたときに、Ｒ×Ｌ＝ａ^２で表され、ａが０．９５であるクロソイド曲線と、ａが１．０５であるクロソイド曲線とで囲まれる領域又はこれらのクロソイド曲線の近似曲線で囲まれる領域を通過する曲線部分を含み、先端部が前記内燃機関本体の燃焼室内又は吸気ポート内に露出するように前記内燃機関本体に装着された燃料噴射弁と、を備え、前記噴孔の噴霧角は、前記噴孔から前記内燃機関本体の内壁面までの距離が長いほど狭いことを特徴としている。

　噴霧角が大きいほど、噴霧は広がり、噴霧距離は短くなる。一方、噴霧角が狭いほど、噴霧は狭まり、噴霧距離は長くなる。燃料の噴霧は、極力、内燃機関本体の内壁面、例えば、燃焼室の内壁面や、ピストン頂面、ポート噴射の場合は、ポート内壁面に付着することを回避したい。そこで、燃料噴射弁の内燃機関本体への取り付け位置、取り付け角度等を考慮して、噴霧の壁面付着を回避し易い噴霧角を設定することができる。噴霧角は、クロソイド曲線を決定する定数ａの値を調整したり、噴孔長さを調整したりすることによって適切な角度に設定される。

　本明細書に開示された燃料噴射弁によれば、噴射される燃料に混入された気泡径を均一にし、気泡が崩壊して形成される噴霧の粒径を均一にすることができる。

図１（Ａ）は実施例１の燃料噴射弁のノズルボディとニードルとを分離した状態を示す説明図であり、図１（Ｂ）は実施例１の燃料噴射弁のノズルボディにニードルを組み合わせた状態を示す説明図である。図２は実施例１の燃料噴射弁が備えるニードルの断面図である。図３（Ａ）は実施例１の燃料噴射弁の先端部を図３（Ｂ）におけるＡ－Ａ線で断面とした断面図であり、図３（Ｂ）は実施例１の燃料噴射弁の先端視である。図４は噴孔の内周形状に含まれるクロソイド曲線及びクロソイド曲線の近似曲線の説明図である。図５（Ａ）は実施例１における燃料噴射時の気泡径の推移を示す説明図であり、図５（Ｂ）は比較例における燃料噴射時の気泡径の推移を示す説明図である。図６（Ａ）は実施例２の燃料噴射弁の先端部を図６（Ｂ）におけるＢ－Ｂ線で断面とした断面図であり、図６（Ｂ）は実施例２の燃料噴射弁の先端視である。図７は実施例２の燃料噴射弁が装着された内燃機関を模式的に示した説明図である。図８は噴孔長と、噴霧角及び面積比との関係を示す説明図である。図９（Ａ）は実施例３の燃料噴射弁の先端部を図９（Ｂ）におけるＣ－Ｃ線で断面とした断面図であり、図９（Ｂ）は実施例３の燃料噴射弁の先端視である。図１０は実施例３の燃料噴射弁が装着された内燃機関を模式的にした説明図である。図１１は実施例４における噴孔の形状を示す説明図である。図１２は実施例５における噴孔の形状を示す説明図である。図１３（Ａ）は実施例６の燃料噴射弁を図１３（Ｂ）におけるＤ－Ｄ線で断面とした断面図であり、図１３（Ｂ）は実施例６の燃料噴射弁の先端視である。図１４は実施例６の燃料噴射弁の先端部を拡大して示した説明図である。

　以下、本発明を実施するための形態を図面と共に詳細に説明する。ただし、図面中、各部の寸法、比率等は、実際のものと完全に一致するようには図示されていない場合がある。また、図面によっては細部が省略されている場合もある。

　本明細書に開示された燃料噴射弁の実施例１について図１（Ａ）乃至図５（Ｂ）を参照しつつ説明する。図１（Ａ）は燃料噴射弁１０のノズルボディ１１とニードル１３とを分離した状態を示す説明図である。図１（Ｂ）は燃料噴射弁１０のノズルボディ１１にニードル１３を組み合わせた状態を示す説明図である。図２は燃料噴射弁１０が備えるニードル１３の断面図である。図３（Ａ）は燃料噴射弁の先端部を図３（Ｂ）におけるＡ－Ａ線で断面とした断面図である。図３（Ｂ）は実施例１の燃料噴射弁の先端視である。

　燃料噴射弁１０は、内燃機関、例えば、ガソリンエンジンに搭載されるが、内燃機関は、ガソリンエンジンに限られず、軽油を燃料とするディーゼルエンジン、ガソリンとアルコールとを任意の割合で混合した燃料を使用するフレキシブルフューエルエンジンのいずれでもよい。

　本発明に開示された発明の一実施例である燃料噴射弁１０の内部構成について詳細に説明する。燃料噴射弁１０は、先端部に噴孔１２が設けられたノズルボディ１１を備えている。噴孔１２は、図３（Ｂ）に示すように４個設けられている。各噴孔１２の入口は、後述する旋回安定室２５の底面と側面とが交差する角部に開口している。ノズルボディ１１は、内部にシート位置１１ａを備えている。また、燃料噴射弁１０は、このノズルボディ１１内に摺動自在に配置されたニードル１３を備えている。ニードル１３は、図１（Ｂ）に示すように、ノズルボディ１１との間に燃料導入路１４を形成する。ニードル１３は、先端側に第１の偏心抑制部１５を備えており、その先端側にノズルボディ１１の内部のシート位置１１ａに着座するシート部１３ａを備えている。第１の偏心抑制部１５は、ノズルボディ１１の内周壁とわずかな隙間を保ってノズルボディ１１内に嵌め込まれることによってニードル１３の偏心を抑制する。ニードル１３は、ピエゾアクチュエータで駆動される。

　ニードル１３は、第１の偏心抑制部１５に旋回流生成部１６を備えている。旋回流生成部１６は、シート部１３ａの上流側に形成されている。旋回流生成部１６は、燃料導入路１４から導入された燃料に旋回成分を付与する螺旋溝１６ａを備えている。螺旋溝１６ａは一列以上であればよく、本実施例では２列の螺旋溝１６ａが設けられている。

　ニードル１３の内部には、図２に示すように空気導入路１７が形成されている。空気導入路１７の出口側の口部１８は、ニードル１３の先端部に位置している。空気導入路１７は、燃料と同様に燃料噴射弁１０の基端側から先端側に向かって空気を導入する。空気導入路１７の口部１８の近傍には、スプリング２０で付勢された球状のチェック弁１９が備えられている。チェック弁１９は、後述する旋回安定室２５内が負圧状態となったときに開弁する。旋回流生成部１６、空気導入路１７及び旋回安定室２５は、協働して気泡発生手段の機能を発揮する。

　ニードル１３は、第１の偏心抑制部１５よりも基端側に第２の偏心抑制部２１を備えている。第２の偏心抑制部２１の外周壁には、周状に溝２２が設けられている。そして、溝２２には、空気導入路１７の入口側の口部２３が露出している。ノズルボディ１１には、空気導入孔２４が設けられている。この空気導入孔２４は、サージタンクと接続されている。空気導入孔２４が溝２２と対向する状態となると、空気導入路１７とサージタンクとが連通した状態となる。なお、空気導入孔２４は、空気導入路１７に空気を導入することができればよく、接続先は、サージタンクに限定されない。

　ノズルボディ１１は、図１（Ａ）、図１（Ｂ）、図３（Ａ）に示すように、先端部に旋回安定室２５を備えている。この旋回安定室２５には、旋回流生成部１６を通過した燃料と空気導入路１７を通過した空気とが導入される。旋回安定室２５内では、旋回流生成部１６において生成された燃料の旋回流速が高められ、旋回流は旋回安定室２５の内周壁に沿い、安定した状態となる。旋回流が安定すると、旋回安定室２５の中央部に負圧部が生じる。空気導入路１７の口部１８は、この負圧部に露出するように旋回安定室２５の中央部に臨ませる。これにより、負圧部に空気を導入する。負圧部は、圧力が低いため、容易に空気を導入することができる。また、負圧部に空気導入路１７の口部１８を露出させて空気を導入することにより、旋回流の乱れを抑制することにもなる。

　旋回安定室２５内に導入された燃料は空気を取り込んで微細気泡を生成する。微細気泡は、噴孔１２から噴射される。噴射後、噴射された微細気泡を形成する燃料の膜は分裂し、燃料が超微細化状態となる。燃料が超微細化状態となることにより、着火遅れ期間の短縮、燃焼速度の増加、燃料によるオイル希釈の抑制、デポジット堆積の抑制、ノッキング発生の抑制を高い次元でバランスよく実現することができる。なお、気泡発生手段として、超音波振動子を採用することもできる。

　ここで、噴孔１２の内周形状について詳細に説明する。図４はノズルボディ１１に設けられた噴孔１２の内周形状に含まれるクロソイド曲線及びクロソイド曲線の近似曲線の説明図である。図５（Ａ）は実施例１における燃料噴射時の気泡径の推移を示す説明図であり、図５（Ｂ）は比較例における燃料噴射時の気泡径の推移を示す説明図である。

　噴孔１２の内周形状は、図４に示すようにクロソイド曲線の近似曲線の軌跡である曲線部分を含む。この近似曲線は、Ｙ＝Ｘ^３．３／５．０で表され、図４中、（４）で示されている。この近似曲線は、曲率半径をＲ、曲線長さをＬ、定数をａとしたときに、Ｒ×Ｌ＝ａ^２で表され、定数ａを０．９５としたクロソイド曲線に近似させたものである。曲線部分は、図４中、Ｘ０で示した入口開口から出口開口までである。

　近似曲線は、以下の手順で求めた。まず、Ｒ×Ｌ＝ａ^２で表されるクロソイド曲線において、定数ａを０．９５と設定した。この定数ａ＝０．９５は、図４に示す噴霧半角θが４０°よりも小さい範囲内で、噴霧垂れの発生が発生しにくい値の下限値である。この噴霧垂れが発生し難い範囲は、実験により確認した。実験の方法は以下の如くである。まず、内周形状の異なる噴孔モデルが複数準備される。そして、それぞれの噴孔モデルにおける燃料噴射の様子が高速度カメラで撮影され、その撮影結果が分析された。ここで、実際の噴孔モデルは、定数ａ＝０．９５であるクロソイド曲線の近似曲線を用いた。クロソイド曲線の近似曲線は、Ｘを噴孔の軸方向長さ、Ｙを噴孔の半径方向長さ、ｂ、ｃをそれぞれ定数としたときに、Ｙ＝Ｘ^ｂ／ｃで表される式である。この式において、定数ｂ、ｃを種々変更し、元となるクロソイド曲線との誤差が２０ｕｍ以内となるような曲線を選定した。その結果、定数ｂ=３．３、定数ｃ=５．０が選定されている。

　以上のような実験を行った結果、定数ａ＝０．９５であるクロソイド曲線の近似曲線を境界として、燃料垂れの発生確率の急激な上昇が観察された。すなわち、定数ａが０．９５よりも小さくなると、燃料垂れの発生確率の急激な上昇が観察された。そこで、定数ａの範囲における０．９５の数値を決定し、このため、本実施例では、この定数ａ＝０．９５に対応するＹ＝Ｘ^３．３／５．０で表された近似曲線が採用されている。

　このような近似曲線の軌跡である曲線部分の回転面が、噴孔１２の内周形状を形成している。このような内周形状を備える噴孔１２内を流れる燃料は、コアンダ効果により、内周壁に引き寄せられる。このため、燃料流れは、噴孔の内壁面と剥離することがない。この結果、境界面における負圧を生じることなく燃料の流線方向が変化する。また、境界面よりも内側を流れる燃料の流線は、その粘性によって境界面を流れる燃料の影響を受けて曲げられる。このように、噴孔の中央部まで徐々に燃料の流線が変化していくことで、燃料流れは、噴孔内の全域においてほぼ均等な流速、圧力を維持しつつ、噴霧角を広げることができる。

　このとき、旋回安定室２５内で生成、混合された微細気泡は噴孔を流れる間も気泡径及びその分布が均一に維持される。そして、微細気泡は、外部へ噴射された後に、微細かつ均質な燃料バブルを形成することができる。

　この様子を、図５（Ａ）、図５（Ｂ）を参照しつつ説明する。図５（Ｂ）に示す比較例の噴孔２６は、出口開口部においてテーパ面２６ａが形成されている。噴孔２６の形状は、液状燃料と空気とのせん断力によって、空気との境界にある燃料を液膜化し、分裂させる燃料の微細化形態に適したものである。このため、燃料の微粒化には、空気と燃料の相対速度差を上げること、すなわち、噴霧流速を上げることが重要となる。そして、図５（Ｂ）に示すようにテーパ面２６ａを設け、テーパ面２６ａにおける剥離を引き起こさせて気泡を発生させる。しかしながら、このような形式で気泡を発生させると、境界面の速度差で負圧が発生し、これに起因して気泡が膨張し、気泡径が不均一となるおそれがある。また、粗大気泡や、粗大液滴が発生するおそれがある。さらに、噴孔２６内部で、矢示２８で示すような縮流が発生するおそれがある。縮流が発生すると、噴孔内で気泡圧壊が生じ、これに起因するエロージョンが問題となる。

　これに対し、図５（Ａ）に示すようにクロソイド曲線の近似曲線を採用した噴孔１２では、燃料は噴孔１２の内周壁に沿って流れるため、境界面での負圧の発生が抑制される。この結果、気泡径が均一となり、粗大気泡や、粗大液滴の発生が抑制される。また、均一に気泡が分布した燃料は、内周壁に沿って噴射され、混合気濃度を均一にすることができる。

　また、噴孔１２から噴射される燃料は、噴孔１２の出口開口付近に付着し難く、この結果、噴孔１２近傍でのデポジットの生成が大幅に抑制される。ただし、図４に示す噴霧角（噴霧半角θ）が広くなりすぎると、噴孔１２の出口開口でコアンダ作用による燃料の淀み垂れが生じ易いため、噴霧半角θは、所定の角度以下に設定しておくことが望ましい。図４中、△、●、□は、各クロソイド曲線において、噴霧半角θが４０°となる位置を示している。燃料の淀み垂れが生じ易い噴霧半角として、４０°を設定する場合は、噴孔長や定数ａの選定により、噴霧半角を４０°以下に設定することができる。

　本実施例の噴孔１２の内周形状は、Ｙ＝Ｘ^３．３／５．０で表されるクロソイド曲線の近似曲線の軌跡を利用しているが、他の曲線の軌跡を利用することもできる。図４中、（１）で示した定数ａが０．９５であるクロソイド曲線と、（３）で示した定数ａが１．０５であるクロソイド曲線とで囲まれる領域を通過する曲線部分を含む形状とすることができる。例えば、図４中、（２）で示した定数ａが１．０であるクロソイド曲線を採用することができる。なお、クロソイド曲線は、Ｒ×Ｌ＝ａ^２の式で表現されるが、クロソイド曲線のＸ座標及びＹ座標は、以下の式によって表すことができる。
　Ｘ（Ｌ）＝ａ×∫ｃｏｓ（φ^２／２）ｄφ
　Ｙ（Ｌ）＝ａ×∫ｓｉｎ（φ^２／２）ｄφ

　また、噴孔１２の内周形状は、図４中、（４）で示した定数ｂを３．３とし、定数ｃを５．０とした近似曲線と、（６）で示した定数ｂを３．３とし、定数ｃを６．３とした近似曲線とで囲まれる領域を通過する曲線部分を含む形状とすることができる。例えば、図４中、（５）で示した定数ｂを３．３とし、定数ｃを５．７とした近似曲線を採用することができる。噴孔の内周形状は、クロソイド曲線、クロソイド曲線の近似曲線と完全に一致するものだけでなく、上記の範囲に含まれる曲線部分を含む形状とすることもできる。

　ここで、クロソイド曲線における定数ａ、クロソイド曲線の近似曲線における定数ｂ、ｃについて説明する。クロソイド曲線における定数ａの範囲は、上述のように０．９５～１．０５とすることができる。

　定数ａ＝０．９５は、上述の如く、燃料垂れの発生確率を考慮して決定された値である。一方、定数ａ＝１．０５は、微細気泡連結が発生しにくい値の上限値である。この微細気泡連結が発生し難い範囲は、実験により確認した。実験の方法は、上述の方法と同様に、まず、内周形状の異なる噴孔モデルが複数準備される。そして、それぞれの噴孔モデルにおける燃料噴射の様子が高速度カメラで撮影され、その撮影結果が分析された。ここで、実際の噴孔モデルは、定数ａ＝１．０５であるクロソイド曲線の近似曲線を用いた。クロソイド曲線の近似曲線は、Ｘを噴孔の軸方向長さ、Ｙを噴孔の半径方向長さ、ｂ、ｃをそれぞれ定数としたときに、Ｙ＝Ｘ^ｂ／ｃで表される式である。この式において、定数ｂ、ｃを種々変更し、元となるクロソイド曲線との誤差が２０ｕｍ以内となるような曲線を選定した。その結果、定数ｂ=３．３、定数ｃ=６．３が選定されている。

　以上のような実験を行った結果、定数ａ＝１．０５であるクロソイド曲線の近似曲線を境界として、微細気泡連結の発生確率の急激な上昇が観察された。すなわち、定数ａが１．０５よりも大きくなると、微細気泡連結の発生確率の急激な上昇が観察された。そこで、定数ａの範囲における１．０５の数値を決定し、このため、本実施例では、この定数ａ＝１．０５に対応するＹ＝Ｘ^３．３／６．３で表された近似曲線が採用されている。

　以上のように、燃料噴射弁１０によれば、気泡の圧壊を抑制することができる。このため、噴射燃料液状で内燃機関本体の内周壁に到達することを抑制することができる。また、燃焼室全体に満遍なく均質な混合気を生成することができる。この結果、ＨＣ（炭化水素）、ＣＯ（一酸化炭素）はもとより、十分な酸素を取り込むことができるため、ＮＯｘ（窒素酸化物）の排出も大幅に減少させることができる。さらに、スワールやタンブル等の混合が不要となるため、燃焼中の燃焼室内壁への熱伝達が大幅に減少し、冷却損失の改善、熱効率の向上が見込まれる。

　つぎに、実施例２について、図６乃至図８を参照しつつ説明する。図６（Ａ）は燃料噴射弁３０の先端部を図６（Ｂ）におけるＢ－Ｂ線で断面とした断面図である。図６（Ｂ）は燃料噴射弁３０の先端視である。図７は燃料噴射弁３０が装着された内燃機関１５０を模式的に示した説明図である。また、図８は噴孔長と、噴霧角及び面積比との関係を示す説明図である。

　内燃機関１５０は、燃焼室１５２を備えた内燃機関本体１５１を備えている。燃焼室１５２には、燃料噴射弁３０が、その先端を露出させて装着されている。燃料噴射弁３０は、燃焼室１５２の中央部に配置されている。また、内燃機関本体１５１には、ピストン１５３が組み込まれている。さらに、燃焼室１５２にその先端が露出するように、点火プラグ１５４が装着されている。

　このように、燃料噴射弁３０が燃焼室１５２の中央部に配置されている場合、燃料噴射弁３０からピストン１５３の頂面１５３ａまでの距離が近く、燃焼室の内周壁までの距離は遠い。すなわち、下向き噴射と横向き噴射とでは、内燃機関本体１５１の内壁面までの距離が大きく異なる。このため、何らの対策も施されない場合、下向き噴射による噴霧は、ピストン頂面１５３ａに衝突して液膜となる。また、横向き噴射により噴射された噴霧は、燃焼室の内周壁近傍に到達するまでに気泡が圧壊するため、均質な混合気が生成され難い。

　そこで、燃料噴射弁３０は、図６（Ａ）、図６（Ｂ）に示すような第１噴孔３２ａ、第２噴孔３２ｂを備えている。燃料噴射弁３０は、実施例１の燃料噴射弁１０と同一のニードル１３を備えるが、実施例１のノズルボディ１１に代えて、ノズルボディ３１を備えている。ノズルボディ３１は、下向き噴射用の第１噴孔３２ａと横向き噴射用の第２噴孔３２ｂを備えている。第１噴孔３２ａと第２噴孔３２ｂは、共通するクロソイド曲線の近似曲線の軌跡を用いた曲線部分を備えているが、その噴孔長が異なっており、その結果、噴霧角が異なっている。図８に示すように、同一の曲線の軌跡を用いている場合、噴霧角は、噴孔長が長くなるに従って大きくなる。噴霧は、噴霧角が大きいほど、流速が減速されて、到達距離が短くなる。従って、噴霧の到達距離を短くしたいときは、噴孔長を長くし、噴霧角を大きくすることが有効である。なお、燃料噴射弁３０と実施例１の燃料噴射弁１０は、噴孔の配置及び、その内周形状が異なる以外は、同様の構成を備えている。

　燃料噴射弁３０の備える第１噴孔３２ａは、ピストン頂面１５３ａまでの距離が短いため、噴霧の到達距離も短くしたい。一方、第２噴孔３２ｂは、燃焼室の内周壁までの距離が長いため、噴霧の到達距離も長くしたい。そこで、第１噴孔３２ａの噴孔長は第２噴孔３２ｂの噴孔長よりも、短く、第１噴孔３２ａの噴霧角は、第２噴孔３２ｂの噴霧角よりも大きい。この結果、噴霧の到達距離を短くしている。

　このように、噴霧角を適切に設定することによって、いわゆるドライフォグ状の気泡を圧壊させることなく、所望の位置に到達させることができる。また、噴射燃料が液状で内燃機関本体の内壁面に到達することが抑制されるため、オイルの燃料による希釈が抑制される。

　なお、所望の噴霧角を設定するために、噴孔長を設定するのみでなく、所望の噴霧角となるように曲線の定数を設定することもできる。例えば、クロソイド曲線を採用する場合は、定数ａを適切に選択することによって、所望の噴霧角を設定することができる。また、燃料噴射弁の設計上の制約があり、噴孔長が決められている場合に、所望の噴霧角を設定したいとき等は、所望の噴霧角が得られる曲線を拡大した相似形の曲線部分として噴孔長を確保することができる。

　つぎに、実施例３について、図９、図１０を参照しつつ説明する。図９（Ａ）は燃料噴射弁７０の先端部を図９（Ｂ）におけるＣ－Ｃ線で断面とした断面図である。図９（Ｂ）は燃料噴射弁７０の先端視である。図１０は燃料噴射弁７０が装着された内燃機関２００を模式的にした説明図である。

　内燃機関２００は、燃焼室２０２を備えた内燃機関本体２０１を備えている。燃焼室２０２には、燃料噴射弁７０が、その先端を露出させて装着されている。燃料噴射弁７０は、燃焼室２０２の側方に配置されている。また、内燃機関本体２０１には、ピストン２０３が組み込まれている。さらに、燃焼室２０２の中央部に、その先端が露出するように、点火プラグ２０４が装着されている。

　このように、燃料噴射弁７０、点火プラグ２０４が配置されている場合、成層混合気を形成するために、燃料噴射弁７０が備える噴孔７２は、点火プラグ２０４側に向かって開口していることが望ましい。具体的には、噴霧角と、噴孔長を適切に設定する。

　そこで、燃料噴射弁７０は、噴孔７２を備えたノズルボディ７１を備える。噴孔７２は、クロソイド曲線の近似曲線の軌跡を用いた曲線部分を備えている。ここでクロソイド曲線及びクロソイド曲線の近似曲線は、実施例１で説明した方針により選定することができる。そして、噴霧中心が点火プラグ２０４の先端部に向かうように噴霧角が設定されるように（例えば、噴霧半角３０°）、噴孔長（例えば、０．７ｍｍ）が調整されている。なお、燃料噴射弁７０と実施例１の燃料噴射弁１０は、噴孔の配置及び、その内周形状が異なる以外は、同様の構成を備えている。

　燃料噴射弁７０は、内燃機関２００が軽負荷条件のときには、圧縮行程後期に成層混合気に必要な燃料量の噴射を行う。また、燃料噴射弁７０は、高負荷条件のときに、圧縮行程後期の噴射に先駆けて吸気行程中に出力を得るのに必要な燃料量の噴射を行う。これにより、早期に気泡を圧壊させて燃料の微粒化を図り、吸気流によって燃料を燃焼室２０２の全体に行き渡らせる。

　燃料噴射弁７０は、このような噴射を行うことにより、点火プラグ２０４の先端部近傍で必要に応じた燃料量で、均質な成層混合気を形成することができる。また、ほぼ、均質な成層混合気を形成することができるため、着火可能なストイキ状態よりもリーン側の成層混合気とすることもできる。これにより、局部的なオーバリッチ状態が創出されにくく、ＨＣや、煤、ＰＭ（Particulate Matter）を大幅に抑制することができる。さらに、成層混合気形成用のキャビティ等を廃止することも可能となり、この結果、燃焼室２０２の表面積を小さくすることができ、冷却損失を改善することができるようになる。

　つぎに、実施例４について、図１１を参照しつつ説明する。図１１は実施例４における噴孔８１の形状を示す説明図である。

　図１１に示した噴孔８１の内周形状は、噴孔８１の軸線ＡＸ方向に沿う断面において、クロソイド曲線の近似曲線と、円弧とを接続した曲線部分を備えている。噴孔８１は、このような曲線部分の回転面として形成される内周形状を有している。

　図１１中、噴孔８１の入口開口に近い側であって、参照番号８１ａを付して示した領域の形状がクロソイド曲線の近似曲線の軌跡で表される。また、噴孔８１の出口開口に近い側であって、参照番号８１ｂを付して示した領域の形状が円弧の軌跡で表される。なお、参照番号８１ａで示した領域は、クロソイド曲線の軌跡で表される形状としても良い。また、他の曲線の軌跡で表される形状とすることができる。さらに、円弧に代えて他の曲線と組み合わせることもできる。ここでクロソイド曲線及びクロソイド曲線の近似曲線は、実施例１で説明した方針により選定することができる。

　このように、クロソイド曲線の近似曲線と円弧とを組み合わせることにより、噴孔８１の出口開口部における噴霧角を１８０°に近づけることができるようになる。噴霧角を大きく取ることにより、高圧縮比の偏平型燃焼室に採用したときであっても、ピストン頂面への燃料の付着を抑制することができる。

　つぎに、実施例５について、図１２を参照しつつ説明する。図１２は実施例５における噴孔９１の形状を示す説明図である。

　噴孔９１の内周形状は、噴孔９１の軸線ＡＸ方向に沿う断面において、図１２中、参照番号９１ａを付して示した入口開口部近傍に、クロソイド曲線の近似曲線と円弧とを接続した曲線部分を備えている。また、図１２中、参照番号９１ｂを付して示したクロソイド曲線の近似曲線による曲線部分を備えている。噴孔９１は、このような曲線部分の回転面として形成される内周形状を有している。参照番号９１ａで示した入口開口部近傍の曲線部分は、クロソイド曲線のみ、クロソイド曲線の近似曲線のみであってもよい。また、参照番号９１ｂを付して示した曲線部分も他の曲線を用いて形成することもできる。ここでクロソイド曲線及びクロソイド曲線の近似曲線は、実施例１で説明した方針により選定することができる。

　噴孔９１は、入口開口部に曲線部分を備えることにより、噴孔９１の内部に最小絞りを設けている。噴孔９１は、入口開口部より層流流れを形成することができるため、燃料中の気泡濃度を安定的に均一化することができる。

　つぎに、実施例６について、図１３（Ａ）乃至図１４を参照しつつ説明する。図１３（Ａ）は燃料噴射弁１００を図１３（Ｂ）におけるＤ－Ｄ線で断面とした断面図である。図１３（Ｂ）は燃料噴射弁１００の先端視である。図１４は燃料噴射弁１００の先端部を拡大して示した説明図である。

　燃料噴射弁１００は、いわゆるピンドル型の燃料噴射弁である。燃料噴射弁１００は、先端部に噴孔１０２を備えたノズルボディ１０１を備えている。また、燃料噴射弁１００は、噴孔１０２から、その先端が露出するニードル１０３を備えている。ニードル１０３とノズルボディ１０１との間には、燃料導入路１０４が形成されている。ニードル１３には、螺旋溝１０５ａが設けられた偏心抑制部１０５が設けられている。螺旋溝１０５ａは、燃料に旋回成分を付与する。燃料噴射弁１００は、気泡発生手段として超音波振動子１０６を備えている。

　噴孔１０２の内周形状は、クロソイド曲線の近似曲線の軌跡である曲線部分を含んでいる。具体的には、図１４に参照番号１０２ａで指し示した部分、参照番号１０２ｂで指し示した部分が上記の曲線部分となっている。参照番号１０２ａで指し示した部分を曲線部分とすることにより、噴孔１０２は、燃焼室側に向かって広がる出口開口を形成している。

　一方、ニードル１０３の先端部１０３ａも、図１４に参照番号１０３ａ１で指し示した部分、参照番号１０３ａ２で指し示した部分が曲線部分となっている。参照番号１０３ａ１で示した曲線部分は、ニードル１０３の全開時に参照番号１０２ａで示した曲線部分と噴霧中心に対して線対称となるように設定されている。参照番号１０３ａ２で示した曲線部分は、参照番号１０２ｂで示した曲線部分に倣った形状となっている。

　ニードル１０３のリフト量によって燃料の噴射量を調量するピントル型の燃料噴射弁のリフト量によって噴孔形状が変化し易い。そこで、本実施例のように、噴孔１０２の内周形状、ニードル１０３の先端部１０３ａの形状とすれば、最も燃料の流量が多く、すなわち、燃料の流速が速いニードルの全開状態であっても、燃料界面での剥離を抑制することができる。この結果、気泡径を均一に維持して燃料を噴射することができる。また、燃料の吹き出し方向を対象とすることができ、バランスのよい噴霧を得ることができる。

　また、燃焼室の中央部に本実施例の燃料噴射弁１００を装着したとき、中心部に空間を備えた形状の燃料バルブクラウドを形成することができる。そして、燃料バブルの気泡圧壊で燃焼室内壁に液滴や液膜を付着させることなく、燃焼室全体に均質な混合気を形成することができる。この結果、燃費の向上が見込まれるとともに、ＨＣ、ＣＯの改善を図ることができる。さらに、燃焼室の側壁側に混合気がほとんど形成されないため、燃焼後期に発生しやすいノッキングを抑制することができる。この結果、高圧縮比化や高過給化を図ることができる。

　上記実施例は本発明を実施するための一例にすぎない。よって本発明はこれらに限定されるものではなく、請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形、変更が可能である。

　１０、３０、５０、７０、１００　燃料噴射弁
　１１　ノズルボディ
　１１ａ　シート位置
　１１ｂ　内周壁
　１２、３２、５２、７２、８１、９１、１０２　噴孔
　１３　ニードル
　１３ａ　シート部
　１３ｂ　内周壁
　１４　燃料流路
　１５　第１の偏心抑制部
　１６　旋回流生成部
　３６ａ　螺旋溝
　１７　空気導入路
　１８　口部
　１９　チェック弁
　２０　スプリング
　１５０、２００　内燃機関

Claims

　先端部に噴孔が設けられたノズルボディと、
　前記ノズルボディ内に摺動自在に配置され、前記ノズルボディ内の着座位置に着座するシート部を備えたニードルと、
　前記ノズルボディ内を流れる燃料中に気泡を発生させる気泡発生手段と、を備え、
　前記噴孔の内周形状は、前記噴孔の軸線方向に沿う断面において、曲率半径をＲ、曲線長さをＬ、定数をａとしたときに、Ｒ×Ｌ＝ａ^２で表され、定数ａが０．９５であるクロソイド曲線と、定数ａが１．０５であるクロソイド曲線とで囲まれる領域又はこれらのクロソイド曲線の近似曲線で囲まれる領域を通過する曲線部分を含むことを特徴とした燃料噴射弁。
　前記クロソイド曲線の近似曲線は、Ｘを前記噴孔の軸方向長さ、Ｙを前記噴孔の半径方向長さ、ｂ、ｃをそれぞれ定数としたときに、Ｙ＝Ｘ^ｂ／ｃで表され、前記クロソイド曲線の近似曲線で囲まれる領域は、定数ｂを３．３とし、定数ｃを５．０とした近似曲線と、定数ｂを３．３とし、定数ｃを６．３とした近似曲線とで囲まれる領域であることを特徴とする請求項１記載の燃料噴射弁。
　前記噴孔の内周形状は、
　前記噴孔の軸線方向に沿う断面において、
　クロソイド曲線又はクロソイド曲線の近似曲線と、円弧とを接続した曲線部分を含むことを特徴とした請求項１又は２記載の燃料噴射弁。
　前記気泡発生手段は、
　前記ノズルボディ内に前記ニードルが摺動自在に配置されることによって前記ニードルと前記ノズルボディとの間に形成された燃料導入路と、
　前記ニードルの前記シート部の上流側に形成され、前記燃料導入路から導入された燃料に旋回成分を付与する螺旋溝が形成された旋回流生成部と、
　前記ニードルの内部に形成された空気導入路と、
　前記ノズルボディの先端部に形成され、前記旋回流生成部を通過した燃料と前記空気導入路を通過した空気が導入される旋回安定室と、
を、備えたことを特徴とした請求項１乃至３のいずれか一項記載の燃料噴射弁。
　前記気泡発生手段は、
　前記ノズルボディ内に配置された超音波振動子であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項記載の燃料噴射弁。
　内燃機関本体と、
　先端部に噴孔が設けられたノズルボディと、前記ノズルボディ内に摺動自在に配置され、前記ノズルボディ内の着座位置に着座するシート部を備えたニードルと、前記ノズルボディ内を流れる燃料中に気泡を発生させる気泡発生手段と、を備え、前記噴孔の内周形状は、前記噴孔の軸線方向に沿う断面において、曲率半径をＲ、曲線長さをＬ、定数をａとしたときに、Ｒ×Ｌ＝ａ^２で表され、ａが０．９５であるクロソイド曲線と、ａが１．０５であるクロソイド曲線とで囲まれる領域又はこれらのクロソイド曲線の近似曲線で囲まれる領域を通過する曲線部分を含み、先端部が前記内燃機関本体の燃焼室内又は吸気ポート内に露出するように前記内燃機関本体に装着された燃料噴射弁と、
を備え、
　前記噴孔の噴霧角は、前記噴孔から前記内燃機関本体の内壁面までの距離が長いほど狭いことを特徴とした内燃機関。