JP2008267155A - Fuel injector for diesel engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ピストン頂部にリエントラント型のキャビティを有する直噴ディーゼルエンジンに関し、特に、リエントラント型のキャビティ内に吸入空気のスワールが形成される直噴ディーゼルエンジンの燃料噴射装置に関する。 The present invention relates to a direct injection diesel engine having a reentrant type cavity at the top of a piston, and more particularly to a fuel injection device for a direct injection diesel engine in which a swirl of intake air is formed in the reentrant type cavity.
複数の噴射孔からなる複数の噴孔群を有し、各噴孔群の複数の噴射孔から噴射される燃料がそれぞれ1つの燃料噴霧を形成するよう構成した燃料噴射ノズル(所謂、グループホールノズル、略してGHN)を備えた直噴ディーゼルエンジンの燃料噴射装置において、噴孔群の噴射孔同士の距離や角度を工夫することで、燃料の微粒化を促進し、スモーク(黒煙)の発生を低減することが従来から提案されている(例えば、特許文献1参照。)。GHNは、噴射孔の径を小さくして燃料を微粒化しつつ、噴射孔の数を増やして全体としての噴射孔の流路面積を確保しようとするものであるが、1つの噴射孔で1つの燃料噴霧を形成する通常のシングルホールノズル(略してSHN)と比較して、噴孔群の複数の噴射孔同士の距離が近いために、燃料を噴射したときに噴霧同士が衝突して噴霧の液滴が大きくなってしまい、燃料微粒化によるスモークの低減という本来の目的を達成できない場合がある。そのため、噴孔群の噴射孔同士の距離や角度を工夫することで、燃料の微粒化を促進し、スモーク(黒煙)の発生を低減しようというのが上記提案の技術である。 A fuel injection nozzle (a so-called group hole nozzle) configured to have a plurality of injection hole groups each including a plurality of injection holes, and in which fuel injected from the plurality of injection holes of each injection hole group forms one fuel spray. In a fuel injection device for a direct injection diesel engine equipped with GHN), the atomization of fuel is promoted by devising the distance and angle between the injection holes of the injection hole group, and smoke (black smoke) is generated. It has been conventionally proposed to reduce the above (see, for example, Patent Document 1). GHN is intended to increase the number of injection holes and secure the flow area of the injection holes as a whole while reducing the diameter of the injection holes and atomizing the fuel. Compared with a normal single hole nozzle (SHN for short) that forms a fuel spray, the distance between the plurality of injection holes of the injection hole group is short, so that when the fuel is injected, the sprays collide with each other. In some cases, the droplets become large, and the original purpose of reducing smoke by atomizing the fuel cannot be achieved. Therefore, the proposed technique is to promote atomization of fuel and reduce the generation of smoke (black smoke) by devising the distance and angle between the injection holes of the injection hole group.
また、ピストンの頂部にリエントラント型キャビティを有する直噴ディーゼルエンジンで、噴射ノズルがSHNタイプで、キャビティ壁面に向けての噴霧ペネトレーションを大きくして、着火遅れ期間に燃料噴霧をキャビティ壁面のリップ部に到達させ、リップ部付近に燃料蒸気を形成して、着火直後の燃焼による膨張流(燃焼膨張流)によってキャビティ内の縦渦の生成を促進することにより、ヒートスポットを低減し、また早期消滅させてNOの生成を抑制するとともに、縦渦により燃焼ガス中の煤の再燃焼を促進してスモークの発生を低減するようにしたものが従来から知られている(例えば、特許文献2参照。)。 Also, it is a direct injection diesel engine with a reentrant type cavity at the top of the piston, the injection nozzle is SHN type, the spray penetration toward the cavity wall is increased, and fuel spray is applied to the lip of the cavity wall during the ignition delay period By forming the fuel vapor near the lip and promoting the generation of vertical vortices in the cavity by the expansion flow (combustion expansion flow) caused by the combustion immediately after ignition, heat spots are reduced and disappeared early. In addition, it has been conventionally known that the generation of NO is suppressed and the reburning of soot in the combustion gas is promoted by the vertical vortex to reduce the generation of smoke (for example, see Patent Document 2). .
ピストンの頂部にリエントラント型のキャビティを有する直噴ディーゼルエンジンから排出されるスモーク(黒煙)を低減するためには、GHN(グループホールノズル)を採用して燃料微粒化を促進することが有効であるが、さらに一層スモッグ低減の効果を高め、また、スモークとともに窒素酸化物(NOx)を十分に低減をするためには、燃料微粒化の促進とともに、キャビティ内の縦渦を強化して燃焼ガスの余剰空気との混合による再燃焼を促進することが重要である。そして、キャビティ内の縦渦を強化するためには、噴霧ペネトレーションを大きくして燃焼膨張流による縦渦を強化するのに加えて、燃料噴霧の壁面衝突後のペネトレーションを大きくして、燃焼領域下流での燃料噴霧および既燃焼ガスの縦方向の回り込みを強化することが重要である。 In order to reduce smoke (black smoke) discharged from a direct injection diesel engine having a reentrant type cavity at the top of the piston, it is effective to promote fuel atomization by using GHN (group hole nozzle). However, in order to further enhance the effect of reducing smog and to sufficiently reduce nitrogen oxide (NOx) together with smoke, combustion atomization is promoted by promoting fuel atomization and strengthening vertical vortices in the cavity. It is important to promote reburning by mixing with excess air. In order to strengthen the vertical vortex in the cavity, in addition to increasing the spray penetration and strengthening the vertical vortex caused by the combustion expansion flow, the penetration after the wall collision of the fuel spray is increased and the downstream of the combustion region It is important to enhance the fuel spray and the vertical wraparound of the burned gas.
ディーゼルエンジンの燃焼室に噴射された燃料の噴霧は、適度な噴霧ペネトレーションの設定により、着火遅れ期間にキャビティ壁面に衝突し、壁面に沿って広がる。そして、その燃料噴霧は壁面近傍で一番良く燃え、燃焼ガス(既燃ガス)が、燃料噴霧とともに燃焼膨張流による縦渦の流れに乗り、キャビティ壁面に沿って縦方向に回り込む。そして、その回り込んだ燃料噴霧と既燃ガスが、キャビティの中央付近まで素早く達すると、その辺りには燃焼に使われていない酸素を多量に含んだ低温の余剰空気があるため、高温の既焼ガスが低温の余剰空気と混じることによって急激に冷やされて、NOxの生成が低減され、また、既焼ガスに含まれている煤が酸素と触れ合って再燃焼することで、スモークが低減される。 The fuel spray injected into the combustion chamber of the diesel engine collides with the cavity wall surface during the ignition delay period and spreads along the wall surface by setting the appropriate spray penetration. The fuel spray burns best near the wall surface, and the combustion gas (burned gas) rides on the flow of the vertical vortex by the combustion expansion flow together with the fuel spray, and goes around the cavity wall surface in the vertical direction. When the entrained fuel spray and burned gas quickly reach the center of the cavity, there is low temperature surplus air that contains a large amount of oxygen that is not used for combustion. The burning gas is rapidly cooled by mixing with low-temperature surplus air, reducing the generation of NOx, and the soot contained in the burning gas comes into contact with oxygen and reburns, reducing smoke. The
そこで、燃料噴霧および既燃ガスの縦方向の回り込みを強化することにより、既燃ガスを余剰空気と素早く混合させ、それより、NOxを低減することができるとともに、煤を再燃焼させてスモークを低減することが可能である。 Therefore, by reinforcing the fuel spray and the wraparound of the burned gas in the vertical direction, the burned gas can be quickly mixed with surplus air, thereby reducing NOx and re-burning the soot for smoke. It is possible to reduce.
そして、その燃料噴霧および既燃ガスの縦方向の回り込みを強化するためには、適度な噴霧ペネトレーションに加えて、壁面衝突後の燃料噴霧のペネトレーションを縦方向の回り込み強化に寄与する方向に大きくすることが重要である。そして、その壁面衝突後のペネトレーションは、GHNの壁面衝突後の噴霧形状の特性を利用して強化することが可能である。つまり、燃料噴射弁の噴射ノズルをGHNとし、各噴孔群の噴射孔を例えば2つにすると、壁面衝突後の燃料噴霧の広がりは楕円状となり、一方向(長軸方向)へのペネトレーションが大きくなる。この特性を利用して、燃料噴霧および既燃ガスの縦方向の回り込みを強化することが可能である。 In order to strengthen the fuel spray and burned gas in the vertical direction, in addition to the appropriate spray penetration, the fuel spray penetration after the wall collision is increased in a direction that contributes to the vertical direction This is very important. And the penetration after the wall surface collision can be strengthened by utilizing the characteristics of the spray shape after the wall surface collision of the GHN. In other words, if the injection nozzle of the fuel injection valve is set to GHN and the number of injection holes in each injection hole group is two, for example, the spread of the fuel spray after the wall surface collision becomes elliptical, and the penetration in one direction (long axis direction) is growing. Utilizing this characteristic, it is possible to enhance the fuel spray and the wraparound of the burned gas in the vertical direction.
しかし、GHNは、各噴孔群の噴射孔の並び方等によっては、燃料噴霧の壁面衝突後のペネトレーション強化が縦方向の回り込みに必ずしも寄与しない場合がある。特に、燃焼室(キャビティ)内に吸入空気のスワールが形成されるディーゼルエンジンの場合、スワールの影響があって、噴射孔の並び方や噴射方向によっては、壁面衝突後のペネトレーション特性が既燃ガスの回り込みに寄与しないばかりか、マイナスに作用することにもなりかねない。 However, in GHN, depending on how the injection holes of each injection hole group are arranged, the penetration enhancement after the fuel spray wall surface collision may not necessarily contribute to the vertical wraparound. In particular, in the case of a diesel engine in which a swirl of intake air is formed in the combustion chamber (cavity), there is an influence of swirl, and depending on the arrangement of the injection holes and the injection direction, the penetration characteristics after wall collision may be Not only does it contribute to wraparound, it can also negatively affect it.
従来の技術は、こうした燃料噴霧の壁面衝突後のペネトレーション特性を燃料噴霧および既燃ガスの縦方向の回り込み強化に寄与する方向に作用させることを考慮したものではなく、特に、リエントラント型キャビティを有し、燃焼室内に吸入空気のスワールが形成されるディーゼルエンジンにおいて、GHNの壁面衝突後の燃料噴霧のペネトレーション特性に対するスワールの影響を考慮したものではない。 The conventional technology does not consider that the penetration characteristics of the fuel spray after collision with the wall surface act in the direction that contributes to the vertical wraparound enhancement of the fuel spray and burned gas, and in particular, has a reentrant type cavity. However, in the diesel engine in which the swirl of the intake air is formed in the combustion chamber, the influence of the swirl on the penetration characteristics of the fuel spray after the GHN wall collision is not taken into consideration.
本発明は、ピストンの頂部にリエントラント型のキャビティを有し、該キャビティ内に吸入空気のスワールが形成される直噴ディーゼルエンジンにおいて、それぞれが複数の噴射孔からなる噴孔群を有する燃料噴射弁を用いて、燃料の微粒化を図るとともに、キャビティ内のスワールの流れを考慮しつつ、燃料噴霧の壁面衝突後のペネトレーションを大きくして燃料噴霧および既燃ガスのキャビティ下部底面に沿った回り込みを強化し、排出されるNOxおよびスモークを低減することを目的とする。 The present invention relates to a direct injection diesel engine having a reentrant type cavity at the top of a piston, and a swirl of intake air formed in the cavity, and a fuel injection valve having injection hole groups each consisting of a plurality of injection holes The atomization of the fuel and the swirl flow in the cavity are taken into consideration, and the penetration after the collision of the fuel spray wall surface is increased so that the fuel spray and burned gas wrap around the bottom bottom of the cavity. The aim is to strengthen and reduce the exhausted NOx and smoke.
本発明のディーゼルエンジンの燃料噴射装置は、各気筒内のピストンの頂部にピストン動作方向を軸線方向として凹入し開口端側で径が小さくなったリエントラント型のキャビティを有し、該キャビティ内に吸入空気のスワールが形成されるディーゼルエンジンの燃焼室内に、前記キャビティの壁面に向けてキャビティ軸線方向の上方から直接燃料を噴射する燃料噴射弁を備えたディーゼルエンジンの燃料噴射装置であって、前記燃料噴射弁は、それぞれが2つの噴射孔からなる複数の噴孔群を有し、前記噴孔群の各2つの噴射孔は、それら2つの噴射孔から噴射される燃料が1つの燃料噴霧を形成するとともに、それら2つの噴射孔から噴射される燃料の噴射方向が、キャビティ軸線方向から視て前記キャビティの壁面に、互に隣接する2点でそれぞれ略直交し、且つ、それら隣接する2点が、キャビティ軸線方向に直交する方向から視て間隔を空けて並び、その2点を結ぶ線が、キャビティ軸線方向に対し傾斜または直交し、キャビティ軸線方向に直交する方向に対し前記スワールの流れ方向の前側となる1点が、他の一点よりもキャビティ軸線方向の上方側に所定角度ずれた位置を中心とする所定角度範囲の配置となるよう形成されていることを特徴とする。 The fuel injection device for a diesel engine according to the present invention has a reentrant type cavity that is recessed at the top of the piston in each cylinder with the piston operating direction as the axial direction and has a smaller diameter on the opening end side. A fuel injection device for a diesel engine comprising a fuel injection valve that directly injects fuel from above in a cavity axial direction toward the wall surface of the cavity into a combustion chamber of the diesel engine where a swirl of intake air is formed, The fuel injection valve has a plurality of injection hole groups each consisting of two injection holes, and each of the two injection holes of the injection hole group has a fuel spray injected from the two injection holes. The injection directions of the fuel injected from these two injection holes are adjacent to the wall surface of the cavity as viewed from the cavity axial direction. The two points that are substantially orthogonal to each other and that are adjacent to each other are arranged at an interval when viewed from the direction orthogonal to the cavity axis direction, and the line connecting the two points is inclined or orthogonal to the cavity axis direction, One point which is the front side of the swirl flow direction with respect to the direction orthogonal to the axial direction is arranged in a predetermined angular range centering on a position shifted by a predetermined angle above the other axial point in the cavity axial direction. It is formed.
前記所定角度範囲は、キャビティ軸線方向に直交する方向に対して前記スワールの流れ方向の前側となる1点が他の一点よりもキャビティ軸線方向の上方側にずれる方向の角度をプラス側として、−15度〜45度であるのがよい。 The predetermined angle range is defined by taking an angle in a direction in which one point, which is the front side of the swirl flow direction with respect to the direction perpendicular to the cavity axis direction, is shifted to the upper side in the cavity axis direction from the other point, − It should be 15 to 45 degrees.
このように燃料噴射装置を構成することで、燃料微粒化を促進するとともに、燃料噴霧の壁面衝突後のペネトレーションをスワールの流れ方向に沿って強化することができ、それにより燃焼領域下流の燃料噴霧および既燃ガスの縦方向の回り込みを強化することができる。その結果、既燃ガスを余剰空気と素早く混合させることができて、既燃ガスを急激に冷やしてNOxの生成を抑制することができるとともに、既焼ガス中の煤の再燃焼を促進することができ、排出されるNOxおよびスモークを低減することができる。 By configuring the fuel injection device in this way, fuel atomization can be promoted, and penetration after the fuel spray wall collision can be strengthened along the swirl flow direction, thereby fuel spray downstream of the combustion region. In addition, the wraparound of burnt gas can be enhanced. As a result, burned gas can be quickly mixed with surplus air, burned gas can be rapidly cooled to suppress NOx generation, and reburning of soot in burned gas is promoted NOx and smoke exhausted can be reduced.
燃料噴霧および既燃ガスの縦方向の回り込みは、スワールに流されながら斜め下方(キャビティ軸線方向の斜め下方)に進行する。本発明のように、2つの噴射孔から噴射される燃料の噴射方向が、キャビティ軸線方向から視てキャビティの壁面に、互に隣接する2点でそれぞれ略直交し、且つ、それら隣接する2点が、キャビティ軸線方向に直交する方向から視て間隔を空けて並び、その2点を結ぶ線が、キャビティ軸線方向に対し傾斜または直交し、キャビティ軸線方向に直交する方向に対し、スワールの流れ方向の前側となる1点が他の一点よりもキャビティ軸線方向の上方側にずれる角度を中心とする所定角度範囲の角度となるよう燃料噴射弁を構成することで、燃料噴霧の壁面衝突後のペネトレーション強化の方向が、スワールに流されならが進行する上記斜め下方の方向に沿うものとなり、それにより、燃料噴霧および既燃ガスの縦方向の回り込みが強化される。そして、この回り込み強化の効果は、上記角度が、キャビティ軸線方向に直交する方向に対してスワールの流れ方向の前側となる1点が他の一点よりもキャビティ軸線方向の上方側にずれる方向の角度をプラス側として、−15度〜45度である場合に大きくなる。 The fuel spray and the wraparound of the burned gas proceed obliquely downward (obliquely downward in the cavity axis direction) while being swirled by the swirl. As in the present invention, the injection directions of the fuel injected from the two injection holes are substantially orthogonal to each other at two points adjacent to each other on the wall surface of the cavity as viewed from the cavity axial direction, and the two adjacent points. Are arranged at an interval when viewed from a direction perpendicular to the cavity axis direction, and the line connecting the two points is inclined or perpendicular to the cavity axis direction and the swirl flow direction relative to the direction perpendicular to the cavity axis direction The fuel injection valve is configured so that one point which is the front side of the fuel cell has a predetermined angle range centering on an angle shifted upward in the cavity axial direction from the other point, thereby penetrating the fuel spray after the wall collision The direction of strengthening will be along the above-mentioned diagonally downward direction as it is swept by the swirl, thereby enhancing the vertical wrapping of fuel spray and burned gas. . The effect of strengthening the wraparound is that the above angle is an angle in a direction in which one point which is the front side of the swirl flow direction with respect to the direction perpendicular to the cavity axis direction is shifted to the upper side in the cavity axis direction from the other point. When the angle is -15 degrees to 45 degrees, with a positive side.
このように、本発明によれば、燃料微粒化を促進するとともに、燃料噴霧の壁面衝突後のペネトレーションをスワールの流れ方向に沿って強化し、燃焼領域下流の燃料噴霧および既燃ガスの縦方向の回り込みを強化して、排出されるNOxおよびスモークを低減することができる。 Thus, according to the present invention, fuel atomization is promoted and penetration after fuel spray wall collision is strengthened along the flow direction of the swirl so that the fuel spray downstream of the combustion region and the longitudinal direction of the burned gas Can be strengthened to reduce exhausted NOx and smoke.
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図1〜図5は本発明の実施形態を示している。図1は実施形態に係るディーゼルエンジンの燃焼室近傍の断面図、図2は燃焼室におけるスワールの流れ方向とシュミレーションによる燃料噴霧および燃焼ガスの挙動を説明するもので、(a)はピストン頂部斜め上方からの斜視図で示す説明図、(b)はピストン軸線を含み燃料噴射方向に平行な縦断面で示す説明図、図3は燃焼室におけるスワールの流れ方向とシュミレーションによる燃料噴霧および燃焼ガスの挙動を説明するもので、(a)はピストン軸線を含み燃料噴射方向と平面視にて直交する縦断面で示す説明図、(b)は平面図で示す説明図、図4は燃焼室における壁面衝突後のペネトレーションを説明する説明図、図5は燃料噴射装置における噴射孔の配置に関する角度と壁面衝突後のペネトレーションとの関係を示すとともに他の例と比較するグラフである。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
1 to 5 show an embodiment of the present invention. FIG. 1 is a cross-sectional view of the vicinity of a combustion chamber of a diesel engine according to the embodiment. FIG. 2 is a view for explaining the flow direction of a swirl in the combustion chamber and the behavior of fuel spray and combustion gas by simulation. Explanatory view shown in a perspective view from above, (b) is an explanatory view showing a longitudinal section parallel to the fuel injection direction including the piston axis, and FIG. 3 shows the flow direction of swirl in the combustion chamber and the fuel spray and combustion gas by the simulation. In order to explain the behavior, (a) is an explanatory view showing a longitudinal section perpendicular to the fuel injection direction including the piston axis, (b) is an explanatory view shown in plan view, and FIG. 4 is a wall surface in the combustion chamber. FIG. 5 is a diagram for explaining the penetration after the collision, and FIG. 5 shows the relationship between the angle related to the arrangement of the injection holes in the fuel injection device and the penetration after the wall collision. It is a graph comparing with other examples.
この実施形態のディーゼルエンジンは、直列多気筒エンジンで、図1に示すように、シリンダブロック1の上部にシリンダヘッド2が配置され、シリンダブロック1に形成された各気筒のシリンダボア3内に、上下作動自在にピストン4が配置され、シリンダヘッド2とシリンダボア3とピストン4とで燃焼室5が区画形成されている。そして、シリンダヘッド2には、気筒毎に、スワール生成式の吸気ポート(ヘリカルポート)6と、排気ボート7が設けられ、吸気ポート6および排気ポート7をそれぞれ開閉するよう吸気弁8および排気弁9が配設されている。また、シリンダヘッド2には、各気筒の燃焼室5の略中央に臨む位置に燃料噴射弁10が取り付けられている。シリンダヘッド2はフラット型であり、吸気弁8および排気弁9は直立型である。
The diesel engine of this embodiment is an in-line multi-cylinder engine. As shown in FIG. 1, a
ピストン4の頂部には、ピストン動作方向(図1において上下の方向)を軸線方向として凹入し開口端側で径が小さくなったリエントラント型のキャビティ11が形成されている。
At the top of the
キャビティ11は、燃焼室5を構成するもので、ピストン4の頂面に近い開口縁部がピストン径方向の内方へ突出する環状のリップ部12を形成し、リップ部12に続いてピストン径方向の外方に凹入した環状凹入部13を形成し、また、ピストン径方向の中央に位置するキャビティ11の底部中央部分が、該キャビティ11の開口端側に向かって隆起した凸部14を形成している。
The
燃焼室5内には吸入行程で吸入空気のスワールが生成され、それにより、圧縮上死点近傍でキャビティ11内にスワールSが形成される。
In the
燃料噴射弁10は、先端部が噴射ノズル15を構成し、その噴射ノズル15が、ピストン4頂部のキャビティ11に燃料を直接噴射するべく燃焼室5内に若干突出している。
The tip of the
そして、その燃料噴射ノズル15には、それぞれが2つの噴射孔21,22からなる複数の噴孔群20(図3参照)が、略等間隔で周方向に並ぶ配置で設けられている。噴孔群20の数は、5〜12個である。
The
各噴射群20の噴射孔21,22からは、ピストン4頂部のキャビティ11のリップ部12壁面に向けて、キャビティ軸線方向(ピストン軸線方向)の上方から斜め下向きに燃料が噴射される。各噴射群20は、2つの噴射孔21,22から噴射される燃料が1つ(一塊)の燃料噴霧31を形成する。それら燃料噴霧31同士の中心線のなす角度は、通常、145〜160度である。
From the injection holes 21 and 22 of each
そして、それぞれの噴孔群20の各2つの噴射孔21,22は、図2(a)に示すように、2つの噴射孔21,22から噴射される燃料の噴射方向が、キャビティ軸線方向から視てキャビティ11の壁面に、互に隣接する2点(衝突点Aおよび衝突点B)でそれぞれ略直交し、且つ、それら隣接する2点(衝突点Aおよび衝突点B)が、キャビティ軸線方向に直交する方向から視て間隔を空けて並び、その2点(衝突点Aおよび衝突点B)を結ぶ線A−Bが、キャビティ軸線方向(鉛直線Vの方向)に対して傾斜または直交し(図示の例では傾斜している)、キャビティ軸線方向に直交する方向(水平軸Hの方向)に対しスワールSの流れ方向(矢印の方向)の前側となる1点(衝突点A)が、他の一点(衝突点B)よりもキャビティ軸線方向の上方側に所定角度(略15度)ずれた位置を中心として所定角度範囲の角度(衝突点ひねり角θ)ずれる配置となるよう形成されている(θ=0の場合もある)。
Each of the two
上記所定角度範囲は、キャビティ軸線方向に直交する方向(水平軸Hの方向)に対してスワールSの流れ方向の前側となる衝突点Aが衝突点Bよりもキャビティ軸線方向の上方側にずれる方向の角度をプラス側として、θ=−15度〜45度の範囲であるのがよい。特に、θ=15度付近がベストである。 The predetermined angle range is a direction in which the collision point A which is the front side in the flow direction of the swirl S with respect to the direction orthogonal to the cavity axis direction (the direction of the horizontal axis H) is shifted to the upper side in the cavity axis direction from the collision point B. The angle is preferably in the range of θ = −15 degrees to 45 degrees with the plus side as the plus side. In particular, the vicinity of θ = 15 degrees is the best.
上記衝突点ひねり角θがプラス側の角度である場合、1つの噴孔群20を形成する2つの噴射孔21,22は、上下にずれるとともに、上方の噴射孔21に対し下方の噴射孔22がスワールの流れ方向の後側にずれた配置となる。
When the collision point twist angle θ is a positive angle, the two
図2および図3は、燃焼室5(キャビティ11)内のスワールSの流れ方向がキャビティ軸線方向(鉛直線Vの方向)の上方から視て時計回りで、1つの噴孔群20を形成する2つの噴射孔21,22が、上下にずれるとともに、上方の噴射孔21に対し下方の噴射孔22がスワールの流れ方向の後側にずれた配置で、2つの噴射孔21,22から噴射された燃料がキャビティ11の壁面に衝突する際の衝突点A,Bを結んだ直線A−Bが、キャビティ軸線に直交する軸(水平軸H)に対して角度θ(衝突点ひねり角)をなし、その衝突点ひねり角θが、スワールの流れ方向の前側となる衝突点Aが後側となる衝突点Bよりもキャビティ軸線方向の上方側にずれる方向の角度をプラス側として、30度となる場合を示している。
2 and 3, the flow direction of the swirl S in the combustion chamber 5 (cavity 11) is clockwise when viewed from above the cavity axial direction (the direction of the vertical line V) to form one
燃焼室5に噴射された燃料の噴霧(燃料噴霧31)は、着火遅れ期間にキャビティ11壁面に衝突し、混合気32とともにキャビティ11の壁面に沿って広がる。そして、その燃料噴霧31は、衝突する壁面の近傍で燃え、壁面衝突後の燃料噴霧31Aと既燃ガス(燃焼ガス)33が、燃焼膨張流による縦渦の流れに乗って、キャビティ11の壁面および下部底面に沿って縦方向に回り込む。その際、燃料噴霧31Aと既燃ガス33は、スワールSに流されながら矢印Tの方向に回り込む。そして、その回り込みが縦方向に強いと、燃料噴霧31Aと既燃ガス33がキャビティ11の中央まで素早く到達する。
The fuel spray (fuel spray 31) injected into the
キャビティ11の中央付近には、燃焼に使われていない酸素を多量に含んだ低温の余剰空気34が存在する。そして、図5のグラフに実線で示すように、上記衝突点ひねり角θが−15度〜45度である場合、壁面衝突後の燃料噴霧31Aおよび既燃ガス32のペネトレーションがスワールの流れ方向に沿う方向に強化され、それにより、燃焼領域35下流の燃料噴霧31Aおよび既燃ガス32の縦方向の回り込みを強化することができる。その結果、既燃ガス32を余剰空気34と素早く混合させることができて、既燃ガス32を急激に冷やしてNOxの生成を抑制することができるとともに、既焼ガス32中の煤の再燃焼を促進することができ、排出されるNOxおよびスモークを低減することができる。
Near the center of the
図5のグラフは、横軸が衝突点ひねり角θ、縦軸が壁面衝突後のペネトレーションで、実線がGHN(グループホールノズル)でスワール有り(正方向強スワール)の場合の特性、一点鎖線がGHNでスワール無しの場合の特性を示している。このグラフに示されるように、GHNでスワールが有る場合は、衝突ひねり角θが−15度〜45度位の範囲であると、SHN(シングルホールノズル)で噴孔面積がGHNの2つの噴射孔の噴孔面積を合わせたものと等しい場合のペネトレーションを超える大きなペネトレーションが得られ、特に、衝突ひねり角θが15度付近を中心に、5度〜25度位範囲でペネトレーション強化の効果が大きい。衝突ひねり角θが45度を越えてプラス側に大きくなると、SHNよりもかえってペネトレーションが悪くなる。また、衝突ひねり角θが−15度を越えてマイナス側に大きくなると、やはりSHNよりもかえってペネトレーションが悪くなる。 In the graph of FIG. 5, the horizontal axis is the collision point twist angle θ, the vertical axis is the penetration after wall collision, the solid line is GHN (group hole nozzle), and there is a swirl (positive swirl in the positive direction). The characteristics in the case of GHN without swirl are shown. As shown in this graph, when there is a swirl at GHN, if the collision twist angle θ is in the range of about −15 degrees to 45 degrees, two injections with SHN (single hole nozzle) and an injection hole area of GHN A large penetration exceeding the penetration when the hole area of the hole is equal is obtained, and the effect of strengthening the penetration is particularly large in the range of about 5 to 25 degrees with the collision twist angle θ around 15 degrees. . When the collision twist angle θ exceeds 45 degrees and becomes larger on the plus side, the penetration becomes worse than SHN. Further, when the collision twist angle θ exceeds −15 degrees and becomes larger on the negative side, the penetration becomes worse than SHN.
燃焼室5内のスワールSの流れ方向が反時計回りの場合、1つの噴孔群20の2つの噴射孔21,22の適切な位置関係(上記所定角度範囲)は、噴射孔21,22だけを見ればスワールSの流れ方向が時計回りの場合と逆になるが、スワールSの流れ方向との関係でいえば、やはり、上記所定角度範囲は、キャビティ軸線方向に直交する方向(水平軸Hの方向)に対してスワールSの流れ方向の前側となる衝突点Aが衝突点Bよりもキャビティ軸線方向の上方側にずれる方向の角度をプラス側として、θ=−15度〜45度が好ましく、特に、15度付近がベストで、上記衝突点ひねり角θがプラス側の角度である場合、1つの噴孔群20を形成する2つの噴射孔21,22は、上下にずれるとともに、上方の噴射孔21に対し下方の噴射孔22がスワールの流れ方向の後側にずれた配置となる。
When the flow direction of the swirl S in the
図6は上記実施形態のディーゼルエンジンの燃料噴射装置の壁面衝突後のペネトレーションに関連して、噴射孔が1つの場合と、2つの場合の、燃料を壁面に噴射した際の壁面衝突後の噴霧形状を計測した結果を示すもので、(a)および(b)は噴射孔が1つの場合の計測結果説明図、(c)および(d)は噴射孔が2つの場合の計測結果説明図である。図6に示す計測結果から、普通に1つの噴射孔23から噴射した燃料の噴霧31を壁面に衝突させると、衝突後の噴霧31Aは同心円状に広がるが、上記実施形態のように、2つの噴射孔21,22を隣接させて適度の距離をもって配置し、それら2個の噴射孔21,22から噴射した燃料の噴霧31は、1つの噴霧31となってキャビティ11の壁面に衝突し、その衝突後の噴霧31Aの広がりは、2つの噴射孔21,22を結ぶ線に直交する方向に増幅されて、楕円状に広がることが判る。この特性を利用することで、壁面衝突後のペネトレーションをスワールSの流れ方向に合わせて強化することができ、それにより、壁面衝突後の燃料噴霧31Aおよび既燃ガス32の縦方向の回り込みを強化することができる。
6 relates to the penetration after wall collision of the fuel injection device of the diesel engine of the above embodiment, the spray after wall collision when the fuel is injected to the wall surface in the case of one injection hole and two injection holes. The results of measuring the shape are shown. (A) and (b) are explanatory diagrams of measurement results when there is one injection hole, and (c) and (d) are explanatory diagrams of measurement results when there are two injection holes. is there. From the measurement result shown in FIG. 6, when the
図7および図8は、噴射孔が1つの場合のスワールの流れ方向とシュミレーションによる燃料噴霧および燃焼ガスの挙動を示している。燃焼室5(キャビティ11)内のスワールの流れ方向は時計回りで、1つの噴射孔23から噴射された燃料のはキャビティ11壁面に一点(衝突点)を中心として衝突する。この場合、壁面衝突後の燃料噴霧31Aの広がりは同心円状で、スワールSの流れ方向に沿ったペネトレーションは小さく、壁面衝突後の燃料噴霧31Aおよび既燃ガス32の縦方向の回り込みは弱い。
7 and 8 show the flow direction of the swirl and the behavior of the fuel spray and the combustion gas due to the simulation when there is one injection hole. The flow direction of the swirl in the combustion chamber 5 (cavity 11) is clockwise, and the fuel injected from one
図9および図10は、スワールの流れ方向に対する2つの噴射孔の配置が本発明の上記実施形態とは逆の場合、すなわち、燃焼室5(キャビティ11)内のスワールSの流れ方向が時計回りで、2つの噴射孔21,22の位置関係を図2とは逆に、上方の噴射孔21に対し下方の噴射孔22がスワールSの流れ方向の前側にずれた配置とし、衝突点ひねり角θを、スワールSの流れ方向の前側となる衝突点Aが後側となる衝突点Bよりもキャビティ軸線方向の上方側にずれる方向の角度をプラス側として、−30度とした場合の、スワールの流れ方向とシュミレーションによる燃料噴霧および燃焼ガスの挙動を示している。この場合、壁面衝突後の燃料噴霧31Aの広がりは、GHNの特性がスワールの流れに対向するものとなり、ペネトレーションが小さくなる。そのため、壁面衝突後の燃料噴霧31Aおよび既燃ガス32の縦方向の回り込みはSHNの場合より更に弱くなる。
9 and 10 show the case where the arrangement of the two injection holes with respect to the flow direction of the swirl is opposite to that of the above-described embodiment of the present invention, that is, the flow direction of the swirl S in the combustion chamber 5 (cavity 11) is clockwise. 2, the positional relationship between the two
1 シリンダブロック
2 シリンダヘッド
3 シリンダボア
4 ピストン
5 燃焼室
10 燃料噴射弁
11 キャビティ
15 噴射ノズル
20 噴孔群
21、22 噴射孔
31、31A 燃料噴霧
32 混合気
33 既燃ガス(燃焼ガス)
34 余剰空気
35 燃焼領域
A、B 衝突点
θ 衝突点ひねり角
S スワール
DESCRIPTION OF
34 Excess air 35 Combustion zone A, B Collision point θ Collision point twist angle S Swirl
Claims (2)
前記燃料噴射弁は、それぞれが2つの噴射孔からなる複数の噴孔群を有し、
前記噴孔群の各2つの噴射孔は、それら2つの噴射孔から噴射される燃料が1つの燃料噴霧を形成するとともに、それら2つの噴射孔から噴射される燃料の噴射方向が、キャビティ軸線方向から視て前記キャビティの壁面に、互に隣接する2点でそれぞれ略直交し、且つ、それら隣接する2点が、キャビティ軸線方向に直交する方向から視て間隔を空けて並び、その2点を結ぶ線が、キャビティ軸線方向に対し傾斜または直交し、キャビティ軸線方向に直交する方向に対し前記スワールの流れ方向の前側となる1点が、他の一点よりもキャビティ軸線方向の上方側に所定角度ずれた位置を中心とする所定角度範囲の配置となるよう形成されていることを特徴とするディーゼルエンジンの燃料噴射装置。 A diesel engine that has a reentrant cavity that is recessed at the top of the piston in each cylinder with the piston operating direction as the axial direction and has a reduced diameter on the open end side, and a swirl of intake air is formed in the cavity. A fuel injection device for a diesel engine comprising a fuel injection valve that directly injects fuel from above in the cavity axial direction toward the wall surface of the cavity in the combustion chamber,
The fuel injection valve has a plurality of injection hole groups each consisting of two injection holes,
In each of the two injection holes of the injection hole group, the fuel injected from the two injection holes forms one fuel spray, and the injection direction of the fuel injected from the two injection holes is the cavity axis direction. Viewed from above, the two points adjacent to each other on the wall surface of the cavity are approximately orthogonal to each other, and these two adjacent points are arranged at an interval when viewed from the direction orthogonal to the cavity axis direction. The connecting line is inclined or orthogonal to the cavity axis direction, and one point which is the front side of the swirl flow direction with respect to the direction orthogonal to the cavity axis direction is a predetermined angle above the other point in the cavity axis direction. A fuel injection device for a diesel engine, wherein the fuel injection device is formed so as to have an arrangement in a predetermined angle range centered on a shifted position.
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