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JP3928851B2 - Fuel injection nozzle - Google Patents

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JP3928851B2
JP3928851B2 JP2002098943A JP2002098943A JP3928851B2 JP 3928851 B2 JP3928851 B2 JP 3928851B2 JP 2002098943 A JP2002098943 A JP 2002098943A JP 2002098943 A JP2002098943 A JP 2002098943A JP 3928851 B2 JP3928851 B2 JP 3928851B2
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Description

【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は、内燃機関の燃料噴射弁に用いられる燃料噴射ノズルに関する。
【0002】
【従来の技術】
自動車等のガソリンエンジンにおいて、通常燃料たるガソリンは燃料噴射ノズルから吸気管路中に噴霧として噴射される。しかし、近年、低燃費及び低エミッションを目的として、燃料噴射ノズルから直接燃焼室内に燃料を噴射するガソリン直噴システムが開発されている。ガソリン燃料直噴システムに用いられる燃料噴射ノズルには、ガソリンエンジンの運転状態(運転負荷及び回転数)等に応じて噴霧の性状(分散性及び貫徹力等)を制御できることが求められる。
【0003】
即ち、ガソリンエンジンの運転状態には均質燃焼運転と成層燃焼運転とがある。均質燃焼運転は、高速走行時又は加速時等のように高い負荷が加わるとき大きな出力を得るものである。図14に示すように、吸気時即ちシリンダ101内におけるピストン102の下降時にガソリンを燃料噴射ノズル100から燃焼室103内に噴射する。よって、噴霧の分散性が高く、貫徹力が大きいことが要求される。
【0004】
ピストン102が下降過程にあり燃焼室103内の圧力が大気圧に近い(0.1MPa程度)状態でガソリンを噴射する。ガソリンと空気とを良く混合させ全体を同じ空燃比(均質)にした後点火プラグ104により混合気(燃料と空気の混合気体)に点火する。混合気は理論空燃比の近くで燃焼し、大きな出力が得られる。
【0005】
これに対して、成層燃焼運転は 定常走行やアイドリング時等のように中程度又は低い負荷が加わるとき、燃費を向上させるものである。図15に示すように、混合気の圧縮時の後半即ちシリンダ101内におけるピストン102の上昇時にガソリンを燃焼室103内に噴射する。よって、噴霧の分散性を制御するとともに(コンパクト)、貫徹力は低いことが要求される。
【0006】
ピストン102が上昇過程にあり燃焼室103内の圧力が高い(0.5MPa程度)状態でガソリンを噴射し、噴射時期を遅らせることにより、ガソリンが燃焼室103全体に拡散する前に、点火プラグ104の周辺に着火しやすい濃度の混合気を形成し、その周りにガソリンのない空気層を形成する。こうして、全体として極めて希薄な混合気とすることにより、低燃費を実現する。
【0007】
図16に従来のガソリン直噴システムで使用されている燃料噴射ノズルの一例を示す。燃料噴射ノズルはノズルボディ110、ニードル弁115、オリフィスプレート120及びスリーブ125から成る。
【0008】
ノズルボディ110は燃料通路(ノズル孔)111を区画する内周壁面112と、その上に形成された環状の弁座113とを備えている。ニードル弁115は内周壁面112に対向する外周壁面116と、その上に形成され弁座113に着座可能な環状の弁部117とを備えている。ノズルボディ110内でニードル弁115が軸方向に移動されることにより弁部117が弁座113に着座又は離座する。
【0009】
オリフィスプレート120は、底部121と円周壁122とを含む。底部121はノズル孔111の下流側開口に対向する複数の噴孔(オリフィス)123を備え、円周壁122においてノズルボディ110に取り付けられている。スリーブ125は、基部126と円筒部127から成り、円筒部127においてノズルボディ110及びオリフィスプレート120に取り付けられている。基部126にはオリフィス123の下流側に対向する中空孔128を備えている。
【0010】
燃料ポンプ(不図示)から供給される燃料は、弁部117が弁座113から離座したときノズル孔111に流入し、オリフィス123から噴射されて噴霧となる。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来例から分かるように、均質燃焼と成層燃焼とでは要求される噴霧が異なるため、これらを両立しうる噴霧を得ることは極めて困難であった。
【0012】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、直噴ガソリンエンジンで使用され、成層燃焼時における噴霧の分散性及び貫徹力が良好に抑制できるとともに、均質燃焼時は必要な噴霧の分散性及び貫徹力が得られる燃料噴射ノズルを提供することを目的とする。
【0013】
【課題を解決するための手段】
本願の発明者は、噴孔の構成(孔径及び板厚方向の寸法)と噴霧の性状(分散性及び貫徹力)を研究する間に、噴孔の構成が一定の条件にあれば、噴射雰囲気圧により噴孔から噴射される噴霧の形状が異なることに気づいた。この噴射噴霧形状の違いを利用し、均質運転と成層運転とで噴霧の分散性及び貫徹力を変化させる手段を設けたことが本発明の基本的特徴である。
【0014】
本発明に係る燃料噴射ノズルは、請求項1に記載したように、ノズル孔を区画する内周壁面上に環状の弁座が形成されたノズルボデイと;内周壁面に対向する外周壁面上に環状の弁部が形成され、軸方向に移動されることにより弁部が弁座に離着座するニードル弁と;ノズルボデイに取り付けられ、ノズル孔に対向する複数の噴孔の下流側に位置する内周壁面に、噴孔から成層燃焼時の燃焼室に直接噴射されるガソリンの噴霧が衝突する衝突部を備えたスリーブと;とから成ることを特徴とする。
【0015】
本発明の燃料噴射ノズルにおいて、噴孔から燃焼室に直接噴射されるガソリンの噴霧はスリーブの衝突部に衝突する。衝突部は噴霧の拡散方向を半径方向内向きかつ下流方向に変更し、それにより分散性を抑制する(コンパクトにする)。加えて、衝突部は衝突時に噴霧の運動エネルギの一部を奪い、貫徹力を抑制させる。これにより、成層燃焼に適した噴霧パターンが形成される。
【0016】
尚、自技会講演集No.3−99は、「超高圧燃料噴流の環状壁面衝突による噴霧形状」について開示している。それによると、直噴ディーゼルエンジンでは噴射開始から着火までの時間が非常に短いため、燃費改善及び有害ガスの低減のためには着火時における混合気形成が重要である。これを考慮して、噴霧形成後速やかに分散し、かつ均一な混合気を形成するために、多孔ノズルの周辺に環状壁面を形成している。燃料の噴流をこの環状壁面に直接衝突させることにより、燃焼室の壁面等への衝突を回避しかつ速やかな噴霧の形成を達成せんとする。
【0017】
しかし、直噴ディーゼルエンジンではそもそも運転負荷に応じて混合気を制御することは不可欠ではなく、直噴ガソリンエンジンと同一視することはできない。
【0018】
請求項1に記載の燃料噴射ノズルは、ガソリンの噴霧は、均質燃焼時の燃焼室に噴射されるとき衝突部に衝突しない。この燃料噴射ノズルによれば、均質燃焼時に噴霧の大きな分散性及び貫徹力が確保される。
【0019】
請求項に記載の燃料噴射ノズルは請求項1において、衝突部は噴孔の軸線の延長線よりも2から5度上流側に位置しており、成層燃焼時、噴射される噴霧の一部が衝突部に弱く衝突する。この燃料噴射ノズルによれば、分散性及び貫徹力がある程度抑制された噴霧パターンが形成される。
【0022】
請求項に記載の燃料噴射ノズルは請求項2において、内径が異なり上下流方向に離れた複数の衝突部は噴孔の軸線の延長線上で整列している。この燃料噴射ノズルによれば、噴霧の衝突部への衝突回数(機会)が増え、分散性及び貫徹力がより効果的に抑制される。
【0023】
請求項に記載の燃料噴射ノズルは請求項において、各衝突部は環状の角部から成る。この燃料噴射ノズルによれば、軸線と平行な内周面と軸線と直交する下端面とで区画される角部が噴霧を確実に反射、噴霧の分散性及び貫徹力を抑制することができる。
【0024】
請求項に記載の燃料噴射ノズルは請求項1において、 噴孔はノズルボディに取り付けられた噴孔板に形成されている。この燃料噴射ノズルによれば、複数の噴孔が所望のパターンで形成できる。
【0025】
請求項に記載の燃料噴射ノズルは請求項において、 噴孔板の厚さと噴孔の孔径との比t/dは0.5から2.0である。この燃料噴射ノズルによれば、均質燃焼時は噴霧の大きな分散性及び貫徹力を確保し、成層燃焼時は分散性及び貫徹力を抑えることができる。
【0026】
【発明の実施の形態】
<内燃機関、燃料>
本発明の燃料噴射ノズルは内燃機関において燃焼室内に直接ガソリンの噴霧を噴射するために使用される。代表的な内燃機関として自動車のエンジンがあるが、これに限定されない。
ノズルボデイ、ニードル弁>
本発明では、上記図16のノズルボディ110及びニードル弁115が使用できるので、必要に応じて適宜参照を参照する。
【0027】
オリフィスプレート10は円形状の底部11と、その周りの円筒壁部(不図示)とから成り、底部11に複数の噴孔(オリフィス)12が形成されている。底部11の板厚tは0.1から0.4mmとできる。
▲2▼オリフィス12の個数は必要噴射量と噴霧特性(形状、微粒化)とを考慮して定め、4から30個とできる。複数のオリフィス12は底部11の中心に中心を持つ所定半径の円の軌跡上に円周方向に等間隔又は異なる間隔で配置することができる。この他にも、例えば格子状に配置したり、ランダムに配置することもできる。底部11の中心からのオリフィス12までの距離は、0.05から0.20mmとできる。
▲3▼複数のオリフィス12の孔径dは必要噴射量とオリフィスの個数を考慮して定め、0.06から0.40mmとできる。全てのオリフィス12の孔径を等しくしても良いし、一部の孔径を残部の孔径よりも大きく又は小さくすることもできる。オリフィス12の軸直角断面形状は円形状でも良いし、その他の形状(例えば楕円形状、長円形状)でも良い。
▲4▼上記底部11の板厚t及びオリフィス12の孔径dの結果、孔径dに対する板厚tの比t/dは0.25から6.67となる。均質燃焼時はt/dの値を小さくすることが噴霧の分散性を向上させる上で望ましい。但し、成層燃焼時における分散性の抑制をも考慮すると、t/dの値は0.50から2.0とすることが望ましい。尚、オリフィス12の長さは底部11の板厚t及びオリフィス12の傾斜角度αにより決まり、t/sinαで表される。
▲5▼各オリフィス12は、底部11の上面(上流側)から下面(下流側)に進むにつれて底部11の軸線Lから遠ざるように、即ち軸線Lに対して所定の傾斜角度αを成すように傾斜している。傾斜角度αは噴霧形状を考慮して定め、例えば 0から30度とできる。全てのオリフィス12の傾斜角度αを等しくすることもできるが、一部のオリフィス12の傾斜角度αを残部のそれよりも大きく又は小さくすることもできる。
▲6▼なお、各オリフィス12は、底部11の中心とオリフィス12の入口(上流側開口)とを結んだ直線の延長線上に出口(下流側開口)が位置すること、換言すれば半径方向外向きに延びることが望ましい。但し、一部のオリフィス12をそれ以外の方向に形成することもできる。
<スリーブ(衝突部が1つの場合)>
▲1▼ノズルボディに取り付けられたスリーブ15は中空孔16を持ち、中空孔16の内周壁面17が環状の衝突部20を有する。図1では、衝突部20は軸方向の内周面と半径方向の先端面(下端面)とで区画される、軸直角断面形状が直角の角部(エッジ部)21から成る。
【0028】
但し、衝突部20は下端部に内径が減少した絞り部を備えることができる。具体的には、図2(a)に示すような環状で、断面三角形状の衝突部25、図2(b)に示すような環状で断面矩形状の衝突部26、図2(c)に示すような環状で断面円弧状の衝突部27を備えても良い。尚、これらの衝突部26、27及び28を軸方向に2つ、3つ形成しても良い。
【0029】
尚、衝突部20の下端部に絞り部を設ける代わりに、図2(d)に示すように、扇形状の複数の移動部材28をスリーブ15に対して半径方向に移動可能に配置しても良い。
▲2▼角部21の位置に関し、軸線Lからの半径方向距離は、噴孔の軸線の延長線までの距離をAとしたとき0.9から1.5Aとできる。また、角部21の底部11の下面からの軸方向の距離は、噴孔の軸線の延長線までの距離をBとして0.6から1.2Bとできる。更に、角部21の軸方向長さ(高さ)は噴孔の軸線の延長線までの距離Bとして0.2から1.0Bとできる。
【0030】
尚、角部21のオリフィス12の下流側開口からの距離は5dから30dとで選択できる。この距離が5dよりも小さくなると噴孔方向の変化の効果が十分でなく、30dよりも大きくなると衝突位置の特定が難しくなる。
▲3▼オリフィス12の軸線の延長線lと角部21との位置関係は以下の通りである。両者の相対位置は、オリフィス12の傾斜角度α、角部21の軸線Lからの半径方向距離及び底部11の下面からの軸方向距離等により決まる。角部21は延長線lよりも下流側、延長線上又は延長線lよりも上流側に位置することができる。
【0031】
角部21が延長線lよりも下流側に位置するとき(第1タイプ、図1において点Hで図示)、角部21とオリフィス12とを結ぶ直線が延長線lと成す角度(交差角度)は数度とできる。角度21が余りに下流側に位置すると、全ての噴霧が角部21に衝突し分散性及び貫徹性の低下が大きくなり過ぎる。
【0032】
角部21は延長線l上に位置することもできる(第2タイプ、図1において点Iで図示)。
【0033】
角部21が延長線lの上流側にある場合、オリフィス12と角部21とを結ぶ直線が延長線lに対して成す交差角度は0から2度であることが特に望ましい(第3タイプ、2度の場合を点Jで図示)。交差角度は2から5度であることが望ましい(第4タイプ、5度の場合をKで図示)。
【0034】
一方、交差角度が5度よりも大きくなると、角部21が延長線lから上流側に大きく離れ過ぎる。
〈4〉角部21はスリーブ15の全円周にわたって形成されていることが望ましい。但し、そのようになっていることは不可欠ではなく、例えば図3(a)に示すようにスリーブの半円周のみに衝突部31を形成したり、図3(b)に示すように複数の円周方向に離れた所定角度範囲のみに衝突部32を形成することもできる。
<噴霧の形成(スリーブの衝突部が1つの場合)>
上述したように、直噴タイプのガソリンエンジンでは運転状態に応じて燃焼モードが均質燃焼又は成層燃焼に切り換わる。
(均質燃焼)
〈1〉均質燃焼時における燃料噴射期間の燃焼室103内の圧力はピストンが下死点近くで大気圧(0.1MPa)に近い状態である。よって、オリフィス12から噴射される噴霧の拡散は周囲の圧力により影響を受けにくい。噴霧はほぼ円柱形状を持ち、オリフィス12の軸線の延長線lから該延長線に近い(下方または上方)範囲に進行する。
【0035】
噴霧はスリーブ15の衝突部20の角部21に衝突する場合と、衝突しない場合とがある。衝突するかしないかは延長線lと角部21との位置関係による。
〈2〉衝突するのは、角部21が上記第1タイプ及び第2タイプの場合である。一部から半分程度の噴霧が角部21に衝突し、角部21によりそれまでよりも半径方向内向きかつ下流方向に反射される。その結果、分散性が少し低下し、貫徹力が少し低下し、図4(a)に示すような噴霧パターンになる(第1モード)。第1モードの場合は、噴射される噴霧の一部から半分程度が角部21に衝突するにすぎず、弱いから中程度の衝突である。
〈3〉角部21が第3タイプで及び第4タイプの場合、噴霧は角部21には殆ど衝突しないか、又は衝突しない(第2モード)。よって、拡散は主に燃焼室103の圧力等により決まり 図4(b)に示すような噴霧パターンになる。第2モードの場合は、底部11の板厚tとオリフィス12の孔径dとの比t/dを小さく選定することにより、噴霧の分散度を大きくすることができる。そのためには底部11の板厚tを小さく、オリフィス12の孔径dを大きくすればよい。
(成層燃焼)
〈1〉成層燃焼時における燃料噴射期間の燃焼室103の圧力は0.4から0.6MPa、例えば0.5MPaである。この場合には、噴霧の半径方向及び軸方向の拡散が燃焼室103内の圧力により影響を受けやすい。その結果、オリフィス12から噴射される噴霧の噴射強さは均質燃焼時よりも弱くなると共に、延長線lよりも僅かに上流側(図1において矢印Yで表示)に向かって進行する。その結果、噴霧が均質燃焼時よりも高い確率で角部21に衝突し、反射される。但し、強く衝突する場合と、弱く衝突する場合とがある。
〈2〉強く衝突するのは角部21が第3タイプの場合である。この場合、角部21が延長線lと近接し、噴霧の進行方向前方にあるので、噴霧の大部分が角部21に衝突し、それまでよりも半径方向内向きかつ下流方向に反射される。それに伴い、噴霧の分散性が大きく低下する。また、衝突時に運動エネルギの一部を失い、貫徹力が大きく抑制される。その結果、図5(a)に示す噴霧パターンになる。
〈3〉角部21が第4タイプの場合、噴霧は角部21に弱く衝突する。つまり、角部21延長線lから少し離れ、噴霧の進行方向前方から少し上方にあるので、噴霧の一部のみが角部21に衝突し、噴霧の残部は角部21に衝突しない。それに伴い、一部の噴霧の進行方向が半径方向内向きかつ下流方向に変更され、分散性がある程度減少する。また、衝突時に運動エネルギの一部を失い、貫徹力がある程度抑制される。その結果、図5(b)に示す噴霧パターンになる。
【0036】
なお、角部21が第1タイプ及び第2タイプの場合、全ての噴霧が角部21に強く衝突し、分散性及び貫徹力が低下し過ぎる。
(まとめ)
以上まとめると、衝突部20即ち角部21をH点からI点の間に配置すれば、噴霧は均質燃焼時は弱く又は中程度で角部21に衝突し、成層燃焼時は強く衝突しすぎる。また、角部21をI点からJ点の間に配置すれば、均質燃焼時は噴霧は角部21に弱く衝突するか又は衝突せず、成層燃焼時は強く衝突する。更に、角部21をJ点からK点の間に配置すれば、噴霧は均質燃焼時は角部21に衝突せず、成層燃焼時は弱く衝突する。
【0037】
尚、図3(a)(b)に示したように、衝突部31、32がスリーブ15の半円周又は複数の円周方向に離れた所定角度範囲のみに形成されている場合、噴霧は衝突部31,32が形成された部分でのみ反射される。その結果、均質燃焼時も成層燃焼時も燃料は角部21が形成された部分でのみ反射され、図6(a)(b)に示すような噴霧パターンになる。
<スリーブ(衝突部が複数の場合)>
(衝突部の構成)
〈1〉複数の衝突部の個数は2から10個とできる。例えば図7に示すように、2つの衝突部35及び38がそれぞれ角部36及び39を持つ場合、両角部36、39は同心円上に、しかも燃料の流れ方向で少し離れて配置される。この場合、下流側の第1角部36の内径の方が上流側の第2角部39の内径よりも大きい。例えば、第1角部36の内径をDとした場合、第2角部39の内径は0.7から0.99Dとできる。第3の角部を形成する場合、第2角部39と第3角部との関係は、第1角部36と第2角部39との関係と同様にすることができる。尚、第1角部36の内径は上記角部21の内径よりも大きくても小さくても良い。
【0038】
また、下流側の第1衝突部35の軸方向長さ(高さ)は上流側の第2衝突部38の高さよりも長くても良いし、短くても良い。第1衝突部35の高さをHとした場合、第2衝突部38の高さは0.5から2Hとすることができる。第3の衝突部を形成する場合、第2衝突部38と第3衝突部との関係は、第1衝突部35と第2衝突部38との関係と同様にすることができる。
▲2▼第1角部36及び第2角部39は延長線lに対して、上記角部21と延長線lと関係と同様の関係を満たすことが望ましい。即ち、第1角部36は、延長線lの下流側、延長線上、及び延長線よりも上流側の何れに位置しても良い。第1角部36の軸線Lからの半径方向距離、底部11の下面からの軸方向距離は、上記角部21のそれよりも大きくすることもできるし、小さくすることもできる。
【0039】
同様に、第2角部39は、延長線lに対して下流側、上流側に何れに位置しても良い。第3角部を形成する場合も同様である。
▲3▼延長線lと、オリフィス12と第1角部36とを結ぶ直線と、オリフィス12と第2角部39とを結ぶ直線がそれぞれ成す第1交差角度及び第2交差角度は、同じでも良いし、異なっても良い。両方の交差角度が等しい場合、第1角部36と第2角部39とは同一直線上に位置する。これに対して、第1角部36と第2角部39との交差角度が異なると、一方の角部は他方の角部よりも延長線に接近したり、又は延長線から離れる。
▲4▼角部以外の衝突部の形状を図8に示す。図8(a)の衝突部41は環状で断面半円形状の凹凸42から成り、図8(b)の衝突部44は環状で断面鈍角部45から成る。
【0040】
尚、衝突部を軸方向に移動可能とすることができる。そのためには、例えば複数の角部から成る衝突部を持つ円筒部材を、スリーブ15に軸方向移動に取り付ければ良い。円筒部材の軸方向の移動により、噴霧の衝突部への衝突位置を変更させ、噴霧の分散性や貫徹力を変更することができる
(噴霧の形成)
▲1▼図7において、第1交差角度と第2交差角度とが等しい場合、均質燃焼時も成層燃焼時も一部の噴霧が第2角部39で反射され、残りの噴霧の一部が第1角部36で反射される。このように衝突、スリーブ15での反射の回数が増えることにより噴霧の分散性が小さくなり、貫徹力も小さくなる。
【0041】
一方の角部が他方の角部よりも延長線に接近している場合、均質燃焼時も成層燃焼時も、延長線lに近い角部は延長線lから遠い角部よりもより多くの噴霧を反射する。例えば、例えば第2角部39を第1角部36よりも延長線lに接近させれば、第2角部39で多くの噴霧が反射され、第1角部36で少しの噴霧が反射される。
(まとめ)
以上まとめると、角部36,39がH点からI点の間、I点からJ点の間、又はJ点からK点の間に位置する場合、均質燃焼時でも成層燃焼時でも、噴霧の衝突部への衝突の有無、及び衝突の強弱は、基本的に上記1つの衝突部21の場合と同じである。但し、複数の衝突部35,38を持つスリーブによれば、噴霧の衝突部35,38への衝突回数が増加し、その分分散性及び貫徹力がより効果的に抑制される。
【0042】
【実施例】
以下、本発明の実施例を添付図面を基にして説明する。
(実施例の構成)
図9に本発明の実施例を示す。本実施例の燃料噴射ノズルは、上記ノズルボディ110及びニードル弁115と、オリフィスプレート50と、スリーブ55とから成る。
【0043】
オリフィスプレート50は薄い金属板から成り、従来例と同様、底部51と円筒壁部(不図示)とを含む。底部51の中心に中心を持つ所定半径の円の軌跡上に12個のオリフィス52が形成されている。各オリフィス52は上流側から下流側に進むにつれて、半径方向外向きに進む放射状に形成されている。オリフィス52が底部51の軸線Lに対して成す角度は45度である。底部51の厚さtとオリフィス52の孔径dとの比t/dは1.3である。
【0044】
スリーブ55は上記従来例と同様、基部56と、円筒部(不図示)とから成り、円筒部においてノズルボディ110に取り付けられている。基部56の中心には中空孔58が形成され、その内周壁面57は上流側から下流側に進むにつれて段階的(三段階)に内径が増加している。その結果、下流側から順に第1衝突部61、第2衝突部64及び第3衝突部67が形成されている。第1衝突部61は軸線Lと平行な内周面と軸線Lと直角な下端面とで区画される環状で断面直角の第1角部62を備える。第1角部62は軸線Lからの半径がr1、高さがh1、底部51の底面からの距離がl1である。
【0045】
第2衝突部64が備えた環状で断面直角の第2角部65は、軸線Lからの半径が上記r1よりも小さいr2で、高さが上記h1よりも低いh2で、底部51の下面からの距離が上記l1よりも短いl2である。また、第3衝突部67が備えた環状で断面直角の第3角部68は、軸線Lからの半径が上記r2よりも小さいr3で、高さが上記h2よりも低いh3で、底部51の下面からの距離が上記l2よりも短いl3である。
【0046】
上記各距離、長さの組み合わせの結果、延長線lに対して、オリフィス52と第1角部62とを結ぶ直線、オリフィス52と第2角部65とを結ぶ直線、及びオリフィス52と第3角部68とを結ぶ直線は同じ角度(約2度)を成す。よって、第1角部62と、第2角部65と、第3角部68とは同一直線上にあり、延長線lの少し上流側に位置している。
(実施例の作用効果)
本実施例の効果を確認すべく、以下の実験を行った。燃料噴射ノズル内に圧力12MPaの燃料(ドライソルベント)を供給し、3ms間オリフィス52から圧力の異なる2つの密閉空間に噴射した。第1密閉空間内の圧力は圧力0.1MPaであり、均質燃焼時の燃焼室103内の圧力に対応する。第2密閉空間内の圧力は0.5MPaであり、成層燃焼時の燃焼室103内の圧力に対応する。
【0047】
第1密閉空間は圧力が低いので、図10に示すように、各オリフィス52から噴射される噴霧は殆ど圧力の影響を受けず、延長線lから少し下流側にわたる範囲内を進行、拡散する。よって、噴霧は第3角部68、第2角部65及び第1角部62には殆ど衝突せず、衝突しても一部にすぎない。
【0048】
第1密閉空間へ噴射される噴霧の性状の変化を図12に示す。図12(a)、図12(b)及び図12(c)がそれぞれ、噴射開始から1ms、2ms及び3ms経過後の様子を示す。噴射開始から1ms経過後噴霧は小さく分散し、貫徹力は約20mmである。2ms経過後更に分散し、貫徹力は約35から40mmである。3ms経過後は更に分散し、貫徹力は約45〜50mmである。
【0049】
各オリフィス52から噴射された噴霧同士が更に衝突し、大きな分散性が得られる。しかも、衝突による運動エネルギの喪失はほとんどない。よって、分散性及び貫徹力が大きな円錐形状の理想的な噴霧パターンが形成される。
【0050】
これに対して、第2密閉空間は圧力が高いので、図11(a)(b)に示すように、各オリフィス52から噴射される噴霧は半径方向外向き(矢印Z参照)に押される。その結果、噴霧の相当部分が第3角部68、第2角部65及び第1角部62に衝突して反射される。つまり、噴霧の一部が第3角部68に衝突して半径方向内向きかつ下流方向に反射される(矢印P1参照)。そして、衝突の際運動エネルギの一部を失う。
【0051】
また、残りの噴霧の一部が第2角部65に衝突して半径方向内向きかつ下流方向に反射される(矢印P2参照)。更に、残りの噴霧の一部が第1角部62に衝突して半径方向内向きかつ下流方向に反射される。
【0052】
第2密閉空間へ噴射される燃料の性状を図13に示す。図13(a)、図13(b)及び図13(c)がそれぞれ、噴射開始から1ms、2ms及び3ms経過後の様子を示す。噴射開始後1msでは余り分散せず、貫徹力は約20mmである。また、2ms経過後でも分散は進展せず、貫徹力は約40mmである。更に、3ms経過後でも分散は進展せず、貫徹力は約60mmである。これらの分散性及び貫徹力は上記第1密閉空間への噴射時の分散性及び貫徹力よりも小さい。
その結果、分散性及び貫徹性が抑制されたコンパクトで細長い理想的な噴霧パターンが形成される。
【0053】
第1、第2及び第3角部62,65及び68は断面直角であり、角縁よりも上流側の噴霧は反射するが、それよりも下流側の噴霧は反射せず、所定の噴霧パターンを得る上で好都合である。また、第1、第2及び第3角部62,65及び68が上記形状を持つので、第1,第2及び第3衝突部61,64及び67を備えたスリーブ55は形成が容易である。
(参考例)
第1角部62、第2角部65及び第3角部68の延長線lに対する位置関係が上記実施例とは異なる第1参考例、第2参考例、第3参考例及び第4参考例を準備して、上記施例と同様の試験を行った。上記第1角部62が、第1参考例では図9のB点(上流側約2度)に位置し、第2参考例ではC点(上流側に約4度)に位置し、第3参考例ではD点(上流側に約6度)に位置し、第4参考例ではE点(上流側に6度以上)に位置している。第1から第4参考例において、第1角部62、第2角部65及び第3角部68の寸法、形状は上記実施例と同じである。
【0054】
その結果、第1角部62がA点に位置するときは、成層燃焼時での噴霧の分散性及び貫徹力は抑制されたが、均質燃焼時に必要な分散性及び貫徹力が得られなかった。また、第1角部62がC点に位置するときは、成層燃焼時に噴霧が少し分散した。また、均質燃焼時に噴霧はある程度分散するが、理想的な円錐形状にはならなかった。
【0055】
更に、第1角部62がD点に位置するときは、成層燃焼時での噴霧の分散性が殆ど抑制されず、本発明の目的を達成するには不十分であった。また、第1角部62がE点に位置するときは、成層燃焼時での噴霧の分散性が全く抑制されず、本発明の目的は達成されなかった。
【0056】
【発明の効果】
以上述べてきたように、本発明の燃料噴射ノズルは、直噴タイプのガソリンエンジンにおいて、噴孔から成層燃焼時の燃焼室にガソリンの噴霧を直接噴射する。噴射されたガソリンの噴霧は、スリーブの中空孔の一部に形成された衝突部に衝突する。噴霧は衝突部で半径方向内向きかつ下流方向に反射され、それにより分散性が抑制される。加えて、衝突部への衝突時に運動エネルギの一部を失い、貫徹力が抑制される。分散性及び貫徹力が抑制されたガソリンの噴霧により、成層燃焼モードにあるガソリンエンジンが中,低程の出力を安心して発生する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の燃料噴射ノズルの第1の実施の形態を示す縦断面説明図(左半分は省略)である。
【図2】(a)(b)(c)及び(d)は衝突部の変形例を示す説明図である。
【図3】(a)及び(b)は衝突部の変形例を示す説明図である。
【図4】(a)及び(b)は噴霧パターンを示す説明図である。
【図5】(a)及び(b)は噴霧パターンを示す説明図である。
【図6】(a)及び(b)は噴霧パターンの変形例を示す説明図である。
【図7】本発明の燃料噴射ノズルの第2の実施の形態を示す縦断面説明図(左半分は省略)である。
【図8】(a)及び(b)は複数の衝突部を持つスリーブを示す説明図である。
【図9】本発明の実施例を示す要部縦断面図である。
【図10】上記実施例における均質燃焼時の噴霧パターンを示す説明図である。
【図11】(a)及び(b)は上記実施例における成層燃焼時の噴霧パターンを示す説明図である。
【図12】(a)(b)及び(c)は上記実施例における均質燃焼時の時間と噴霧パターンとの関係を示す説明図である。
【図13】(a)(b)及び(c)は上記実施例における成層燃焼時の時間と噴霧パターンとの関係を示す説明図である。
【図14】一般的な直噴ガソリンエンジンの均質燃焼を示す説明図である。
【図15】一般的な直噴ガソリンエンジンの成層燃焼を示す説明図である。
【図16】従来の燃料噴射ノズルの一例を示す縦断面図である。
【符号の説明】
10:噴孔板 12:噴孔
16:中空孔 17:内周壁部
20:衝突部 21:角部
l:延長線 110:ノズルボディ
115:ニードル弁
[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to a fuel injection nozzle used for a fuel injection valve of an internal combustion engine.
[0002]
[Prior art]
In gasoline engines such as automobiles, gasoline as normal fuel is injected as a spray from a fuel injection nozzle into an intake pipe. However, in recent years, a gasoline direct injection system that injects fuel directly from a fuel injection nozzle into a combustion chamber has been developed for the purpose of low fuel consumption and low emission. A fuel injection nozzle used in a gasoline fuel direct injection system is required to be able to control the properties of spray (dispersibility, penetration force, etc.) according to the operating state (operating load and rotational speed) of the gasoline engine.
[0003]
That is, there are a homogeneous combustion operation and a stratified combustion operation in the operation state of the gasoline engine. The homogeneous combustion operation obtains a large output when a high load is applied, such as during high-speed running or acceleration. As shown in FIG. 14, gasoline is injected from the fuel injection nozzle 100 into the combustion chamber 103 during intake, that is, when the piston 102 descends in the cylinder 101. Therefore, it is required that the spray dispersibility is high and the penetration power is large.
[0004]
Gasoline is injected while the piston 102 is in the descending process and the pressure in the combustion chamber 103 is close to atmospheric pressure (about 0.1 MPa). Gasoline and air are mixed well and the whole is made to have the same air-fuel ratio (homogeneous), and then the air-fuel mixture (mixed gas of fuel and air) is ignited by the spark plug 104. The air-fuel mixture burns near the stoichiometric air-fuel ratio, and a large output can be obtained.
[0005]
On the other hand, stratified combustion operation improves fuel efficiency when a moderate or low load is applied, such as during steady running or idling. As shown in FIG. 15, gasoline is injected into the combustion chamber 103 in the latter half of the compression of the air-fuel mixture, that is, when the piston 102 rises in the cylinder 101. Therefore, it is required to control the dispersibility of the spray (compact) and to have a low penetration force.
[0006]
By injecting gasoline in a state where the piston 102 is in the ascending process and the pressure in the combustion chamber 103 is high (about 0.5 MPa) and delaying the injection timing, before the gasoline diffuses throughout the combustion chamber 103, the spark plug 104 An air-fuel mixture with a concentration that easily ignites is formed in the vicinity of the fuel, and an air layer without gasoline is formed around it. In this way, low fuel consumption is achieved by making the air / fuel mixture extremely lean as a whole.
[0007]
FIG. 16 shows an example of a fuel injection nozzle used in a conventional gasoline direct injection system. The fuel injection nozzle includes a nozzle body 110, a needle valve 115, an orifice plate 120, and a sleeve 125.
[0008]
The nozzle body 110 includes an inner peripheral wall surface 112 defining a fuel passage (nozzle hole) 111 and an annular valve seat 113 formed thereon. The needle valve 115 includes an outer peripheral wall 116 that faces the inner peripheral wall 112 and an annular valve portion 117 that is formed thereon and can be seated on the valve seat 113. When the needle valve 115 is moved in the axial direction in the nozzle body 110, the valve portion 117 is seated on or separated from the valve seat 113.
[0009]
The orifice plate 120 includes a bottom 121 and a circumferential wall 122. The bottom 121 includes a plurality of injection holes (orifices) 123 facing the downstream opening of the nozzle hole 111, and is attached to the nozzle body 110 at a circumferential wall 122. The sleeve 125 includes a base portion 126 and a cylindrical portion 127, and is attached to the nozzle body 110 and the orifice plate 120 in the cylindrical portion 127. The base 126 has a hollow hole 128 that faces the downstream side of the orifice 123.
[0010]
Fuel supplied from a fuel pump (not shown) flows into the nozzle hole 111 when the valve part 117 is separated from the valve seat 113, and is injected from the orifice 123 to become spray.
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
  As can be seen from the above conventional example,homogeneousSince the required spray differs between combustion and stratified combustion, it has been extremely difficult to obtain a spray that can achieve both of these.
[0012]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and is used in a direct-injection gasoline engine. It can effectively suppress the dispersibility and penetration of the spray during stratified combustion, and can achieve the necessary dispersibility of the spray during homogeneous combustion. An object of the present invention is to provide a fuel injection nozzle capable of providing a penetrating force.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
While the inventors of the present application have studied the structure of the nozzle hole (hole diameter and dimension in the plate thickness direction) and the properties of the spray (dispersibility and penetration force), if the nozzle hole structure is in a certain condition, the injection atmosphere It was noticed that the shape of the spray injected from the nozzle hole differs depending on the pressure. It is a basic feature of the present invention that means for changing the spray dispersibility and penetration force between the homogeneous operation and the stratified operation is provided by utilizing the difference in the spray spray shape.
[0014]
A fuel injection nozzle according to the present invention includes a nozzle body in which an annular valve seat is formed on an inner peripheral wall surface defining a nozzle hole, and an annular outer peripheral wall surface facing the inner peripheral wall surface. A needle valve in which the valve portion is formed and moved in the axial direction so that the valve portion is separated from and seated on the valve seat; an inner circumference that is attached to the nozzle body and is located downstream of the plurality of nozzle holes facing the nozzle holes And a sleeve having a collision portion on which a spray of gasoline directly injected from a nozzle hole into a combustion chamber during stratified combustion collides.
[0015]
In the fuel injection nozzle of the present invention, the gasoline spray directly injected from the nozzle hole into the combustion chamber collides with the collision portion of the sleeve. The impingement portion changes the spray diffusion direction radially inward and downstream, thereby suppressing dispersibility (compacting). In addition, the collision part takes away a part of the kinetic energy of the spray at the time of the collision and suppresses the penetration force. Thereby, the spray pattern suitable for stratified combustion is formed.
[0016]
In addition, JSME Lecture Collection No. No. 3-99 discloses “a spray shape caused by an annular wall collision of an ultrahigh pressure fuel jet”. According to this, in a direct-injection diesel engine, the time from the start of injection to ignition is very short. Therefore, in order to improve fuel consumption and reduce harmful gases, formation of an air-fuel mixture during ignition is important. Considering this, an annular wall surface is formed around the perforated nozzle in order to disperse quickly after forming the spray and to form a uniform air-fuel mixture. By causing the jet of fuel to directly collide with the annular wall surface, collision with the wall surface of the combustion chamber is avoided and rapid spray formation is achieved.
[0017]
However, in a direct injection diesel engine, it is not indispensable to control the air-fuel mixture according to the operating load in the first place, and it cannot be identified with a direct injection gasoline engine.
[0018]
  The fuel injection nozzle according to claim 1 does not collide with the collision part when the spray of gasoline is injected into the combustion chamber at the time of homogeneous combustion. According to the fuel injection nozzle, a large spray dispersibility and penetration force are ensured during homogeneous combustion.
[0019]
  Claim2The fuel injection nozzle according to claim 1, wherein the collision portion is located 2 to 5 degrees upstream of the extension of the axis of the injection hole, and a part of the spray injected during stratified combustion is a collision portion. Crash weakly. According to this fuel injection nozzle, a spray pattern in which dispersibility and penetration force are suppressed to some extent is formed.
[0022]
  Claim3The fuel injection nozzle according to claim2In this case, the plurality of collision parts having different inner diameters and separated in the upstream and downstream directions are aligned on an extension of the axis of the nozzle hole. According to this fuel injection nozzle, the number of collisions (opportunity) of the spray to the collision part increases, and the dispersibility and penetration force are more effectively suppressed.
[0023]
  Claim4The fuel injection nozzle according to claim3In FIG. 2, each collision part is composed of an annular corner. According to this fuel injection nozzle, the corner portion defined by the inner peripheral surface parallel to the axis and the lower end surface orthogonal to the axis can reliably reflect the spray and suppress the spray dispersibility and penetration force.
[0024]
  Claim5In the fuel injection nozzle according to claim 1, the injection hole is formed in an injection hole plate attached to the nozzle body. According to this fuel injection nozzle, a plurality of injection holes can be formed in a desired pattern.
[0025]
  Claim6The fuel injection nozzle according to claim5The ratio t / d between the thickness of the nozzle hole plate and the hole diameter of the nozzle hole is 0.5 to 2.0. According to this fuel injection nozzle, large dispersibility and penetration of spray can be secured during homogeneous combustion, and dispersibility and penetration can be suppressed during stratified combustion.
[0026]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
<Internal combustion engine, fuel>
  The fuel injection nozzle of the present invention is used in an internal combustion engine to inject a spray of gasoline directly into a combustion chamber. A typical internal combustion engine includes an automobile engine, but is not limited thereto.
<Nozzle body, Needle valve>
  In the present invention, since the nozzle body 110 and the needle valve 115 of FIG. 16 can be used, reference is appropriately made as necessary.
[0027]
The orifice plate 10 includes a circular bottom portion 11 and a cylindrical wall portion (not shown) around it, and a plurality of injection holes (orifices) 12 are formed in the bottom portion 11. The thickness t of the bottom 11 can be 0.1 to 0.4 mm.
(2) The number of orifices 12 is determined in consideration of the required injection amount and spray characteristics (shape and atomization) and can be 4 to 30. The plurality of orifices 12 can be arranged at equal intervals or different intervals in the circumferential direction on a locus of a circle having a predetermined radius centered at the center of the bottom portion 11. In addition to this, for example, they can be arranged in a lattice pattern or randomly. The distance from the center of the bottom 11 to the orifice 12 can be 0.05 to 0.20 mm.
(3) The hole diameter d of the plurality of orifices 12 is determined in consideration of the required injection amount and the number of orifices, and can be 0.06 to 0.40 mm. The hole diameters of all the orifices 12 may be equal, or a part of the hole diameters may be larger or smaller than the remaining hole diameter. The cross-sectional shape perpendicular to the axis of the orifice 12 may be a circular shape, or other shapes (for example, an elliptical shape or an oval shape).
(4) As a result of the plate thickness t of the bottom portion 11 and the hole diameter d of the orifice 12, the ratio t / d of the plate thickness t to the hole diameter d is 0.25 to 6.67. In order to improve spray dispersibility, it is desirable to reduce the value of t / d during homogeneous combustion. However, considering the suppression of dispersibility during stratified combustion, the value of t / d is preferably 0.50 to 2.0. The length of the orifice 12 is determined by the thickness t of the bottom 11 and the inclination angle α of the orifice 12, and is represented by t / sin α.
(5) Each orifice 12 is moved away from the axis L of the bottom 11 as it goes from the upper surface (upstream side) to the lower surface (downstream side) of the bottom 11, that is, to make a predetermined inclination angle α with respect to the axis L. It is inclined to. The inclination angle α is determined in consideration of the spray shape, and can be set to, for example, 0 to 30 degrees. Although the inclination angles α of all the orifices 12 can be made equal, the inclination angles α of some of the orifices 12 can be made larger or smaller than those of the rest.
(6) It should be noted that each orifice 12 has an outlet (downstream opening) located on a straight line extending from the center of the bottom 11 and the inlet (upstream opening) of the orifice 12, in other words, radially outward. It is desirable to extend in the direction. However, some of the orifices 12 can be formed in other directions.
<Sleeve (when there is one collision part)>
(1) The sleeve 15 attached to the nozzle body has a hollow hole 16, and the inner peripheral wall surface 17 of the hollow hole 16 has an annular collision part 20. In FIG. 1, the collision portion 20 includes a corner portion (edge portion) 21 having a right-angle cross-sectional shape that is defined by an inner circumferential surface in the axial direction and a distal end surface (lower end surface) in the radial direction.
[0028]
However, the collision part 20 can be provided with a throttle part having a reduced inner diameter at the lower end part. Specifically, the collision portion 25 having an annular shape and a triangular cross section as shown in FIG. 2A, the collision portion 26 having an annular shape and a rectangular cross section as shown in FIG. 2B, and FIG. An annular collision section 27 having a circular arc shape as shown may be provided. In addition, you may form two or three of these collision parts 26, 27, and 28 in an axial direction.
[0029]
Instead of providing a constriction at the lower end of the collision portion 20, a plurality of fan-shaped moving members 28 may be arranged so as to be movable in the radial direction with respect to the sleeve 15, as shown in FIG. good.
(2) Regarding the position of the corner 21, the radial distance from the axis L can be 0.9 to 1.5 A where A is the distance to the extension of the axis of the nozzle hole. Further, the distance in the axial direction from the lower surface of the bottom 11 of the corner 21 can be 0.6 to 1.2 B, where B is the distance to the extension of the axis of the nozzle hole. Furthermore, the axial length (height) of the corner portion 21 can be 0.2 to 1.0 B as the distance B to the extension line of the axis of the nozzle hole.
[0030]
The distance of the corner portion 21 from the downstream opening of the orifice 12 can be selected from 5d to 30d. If this distance is smaller than 5d, the effect of changing the nozzle hole direction is not sufficient, and if it is larger than 30d, it is difficult to specify the collision position.
(3) The positional relationship between the extension line 1 of the axis of the orifice 12 and the corner 21 is as follows. The relative position of both is determined by the inclination angle α of the orifice 12, the radial distance from the axis L of the corner portion 21, the axial distance from the bottom surface of the bottom portion 11, and the like. The corner 21 can be located downstream of the extension line l, on the extension line, or upstream of the extension line l.
[0031]
When the corner 21 is located downstream of the extension line l (first type, indicated by a point H in FIG. 1), an angle (intersection angle) formed by a straight line connecting the corner 21 and the orifice 12 with the extension line l Can be a few degrees. If the angle 21 is positioned too downstream, all the sprays collide with the corner 21 and the dispersibility and penetration deteriorate too much.
[0032]
The corner 21 can also be located on the extension line l (second type, illustrated by point I in FIG. 1).
[0033]
When the corner portion 21 is on the upstream side of the extension line l, it is particularly desirable that the crossing angle formed by the straight line connecting the orifice 12 and the corner portion 21 with respect to the extension line l is 0 to 2 degrees (third type, The case of 2 degrees is indicated by point J). It is desirable that the crossing angle is 2 to 5 degrees (the fourth type, the case of 5 degrees is indicated by K).
[0034]
  On the other hand, when the crossing angle is larger than 5 degrees, the corner 21 is too far away from the extension line l to the upstream side.
<4> The corner portion 21 is preferably formed over the entire circumference of the sleeve 15. However, it is not indispensable to do so. For example, as shown in FIG.Collision part31 or only within a predetermined angular range separated in a plurality of circumferential directions as shown in FIG.Collision part32 can also be formed.
<Formation of spray (in the case of a single collision part of the sleeve)>
  As described above, the direct injection type gasoline engine has a uniform combustion mode according to the operating state.combustionOr switch to stratified combustion.
(Homogeneous combustion)
<1> The pressure in the combustion chamber 103 during the fuel injection period during homogeneous combustion is a state in which the piston is close to the bottom dead center and close to atmospheric pressure (0.1 MPa). Therefore, the diffusion of the spray injected from the orifice 12 is not easily affected by the ambient pressure. The spray has a substantially cylindrical shape and proceeds from the extension line l of the axis of the orifice 12 to a range close to (below or above) the extension line.
[0035]
  The spray may collide with the corner 21 of the collision portion 20 of the sleeve 15 or may not collide. Whether to collide depends on the positional relationship between the extension line l and the corner 21.
<2> The collision occurs when the corner portion 21 is the first type or the second type. About a half of the spray hits the corner 21 and is reflected by the corner 21 inward in the radial direction and downstream. As a result, the dispersibility is slightly reduced, the penetration force is slightly reduced, and a spray pattern as shown in FIG. 4A is obtained (first mode). In the case of the first mode, only a part to about half of the spray sprayed collides with the corner 21 and is a moderate collision because it is weak.
<3> When the corner 21 is the third type and the fourth type, the spray hardly collides with the corner 21 or does not collide (second mode). Therefore, diffusion is mainlyCombustion chamberThe spray pattern is as shown in FIG. In the case of the second mode, the dispersion degree of spray can be increased by selecting a small ratio t / d between the thickness t of the bottom 11 and the hole diameter d of the orifice 12. For this purpose, the plate thickness t of the bottom 11 may be reduced and the hole diameter d of the orifice 12 may be increased.
  (Stratified combustion)
<1> The pressure in the combustion chamber 103 during the fuel injection period during stratified combustion is 0.4 to 0.6 MPa, for example, 0.5 MPa. In this case, the radial and axial diffusion of the spray is easily influenced by the pressure in the combustion chamber 103. As a result, the injection strength of the spray injected from the orifice 12 becomes weaker than that during homogeneous combustion, and proceeds slightly upstream (indicated by an arrow Y in FIG. 1) from the extension line l. As a result, the spray collides with the corner portion 21 with a higher probability than during homogeneous combustion and is reflected. However, there is a case of a strong collision and a case of a weak collision.
<2> A strong collision occurs when the corner 21 is of the third type. In this case, since the corner portion 21 is close to the extension line l and is in front of the traveling direction of the spray, most of the spray collides with the corner portion 21 and is reflected radially inward and downstream than before. . As a result, the dispersibility of the spray is greatly reduced. Moreover, a part of kinetic energy is lost at the time of a collision, and penetrating force is greatly suppressed. As a result, the spray pattern shown in FIG.
<3> When the corner 21 is the fourth type, the spray collides weakly with the corner 21. That is, since it is a little away from the extension line l of the corner 21 and slightly above the front in the spraying direction, only a part of the spray collides with the corner 21 and the remaining part of the spray does not collide with the corner 21. Along with this, the traveling direction of part of the spray is changed radially inward and downstream, and the dispersibility is reduced to some extent. Moreover, a part of kinetic energy is lost at the time of a collision, and penetration force is suppressed to some extent. As a result, the spray pattern shown in FIG.
[0036]
  In addition, when the corner | angular part 21 is a 1st type and a 2nd type, all the sprays collide strongly with the corner | angular part 21, and a dispersibility and penetration force fall too much.
(Summary)
  In summary, the collision part 20, that is, the corner part 21 isH pointFromPoint IIf it is arranged between the two, the spray hits the corner portion 21 weakly or moderately during homogeneous combustion, and hits too strongly during stratified combustion. Also, the corner 21Point IFromPoint JIf it arrange | positions between these, a spray will collide weakly at the corner | angular part 21 at the time of homogeneous combustion, or does not collide, but collides strongly at the time of stratified combustion. In addition, the corner 21Point JFromK pointsIf it arrange | positions between these, spray does not collide with the corner | angular part 21 at the time of homogeneous combustion, but collides weakly at the time of stratified combustion.
[0037]
  As shown in FIGS. 3A and 3B,Collision partWhen 31 and 32 are formed only in the semicircular circumference of the sleeve 15 or in a predetermined angular range separated in a plurality of circumferential directions, the spray is reflected only at a portion where the collision portions 31 and 32 are formed. As a result, the fuel is homogeneous and homogeneous.CornerIt is reflected only at the portion where 21 is formed, resulting in a spray pattern as shown in FIGS.
<Sleeve (when there are multiple collision parts)>
(Composition of collision part)
<1> The number of the plurality of collision parts can be 2 to 10. For example, as shown in FIG. 7, when the two collision parts 35 and 38 have the corner | angular parts 36 and 39, both corner | angular parts 36 and 39 are arrange | positioned on a concentric circle and a little apart in the fuel flow direction. In this case, the inner diameter of the first corner portion 36 on the downstream side is larger than the inner diameter of the second corner portion 39 on the upstream side. For example, when the inner diameter of the first corner portion 36 is D, the inner diameter of the second corner portion 39 can be 0.7 to 0.99D. When forming the third corner, the relationship between the second corner 39 and the third corner can be the same as the relationship between the first corner 36 and the second corner 39. The inner diameter of the first corner portion 36 may be larger or smaller than the inner diameter of the corner portion 21.
[0038]
Further, the axial length (height) of the first collision unit 35 on the downstream side may be longer or shorter than the height of the second collision unit 38 on the upstream side. When the height of the 1st collision part 35 is set to H, the height of the 2nd collision part 38 can be 0.5 to 2H. When forming the third collision part, the relationship between the second collision part 38 and the third collision part can be the same as the relationship between the first collision part 35 and the second collision part 38.
(2) It is desirable that the first corner portion 36 and the second corner portion 39 satisfy the same relationship as the relationship between the corner portion 21 and the extension line 1 with respect to the extension line l. That is, the first corner portion 36 may be located on the downstream side of the extension line l, on the extension line, or on the upstream side of the extension line. The radial distance from the axis L of the first corner 36 and the axial distance from the lower surface of the bottom 11 can be made larger or smaller than that of the corner 21.
[0039]
Similarly, the second corner portion 39 may be located on either the downstream side or the upstream side with respect to the extension line l. The same applies when forming the third corner.
(3) The first intersecting angle and the second intersecting angle formed by the extension line l, the straight line connecting the orifice 12 and the first corner 36, and the straight line connecting the orifice 12 and the second corner 39 are the same. Good or different. When both crossing angles are equal, the first corner portion 36 and the second corner portion 39 are located on the same straight line. On the other hand, if the crossing angle between the first corner portion 36 and the second corner portion 39 is different, one corner portion is closer to the extension line than the other corner portion, or is separated from the extension line.
(4) The shape of the collision part other than the corner part is shown in FIG. The collision part 41 in FIG. 8 (a) is made up of an uneven portion 42 having an annular shape and a semicircular cross section, and the collision part 44 in FIG.
[0040]
The collision part can be moved in the axial direction. For this purpose, for example, a cylindrical member having a collision part composed of a plurality of corners may be attached to the sleeve 15 for axial movement. By moving the cylindrical member in the axial direction, it is possible to change the collision position of the spray to the collision part and change the dispersibility and penetration force of the spray.
(Formation of spray)
(1) In FIG. 7, when the first crossing angle and the second crossing angle are equal, a part of the spray is reflected by the second corner 39 during the homogeneous combustion and the stratified combustion, and a part of the remaining spray is Reflected by the first corner 36. Thus, the increase in the number of times of collision and reflection at the sleeve 15 reduces the dispersibility of the spray and also reduces the penetration force.
[0041]
  When one corner is closer to the extension line than the other corner, the corner near the extension line l is more sprayed than the corner far from the extension line l in both homogeneous and stratified combustion. To reflect. For example, if the second corner portion 39 is brought closer to the extension line l than the first corner portion 36, a lot of spray is reflected at the second corner portion 39 and a little spray is reflected at the first corner portion 36. The
(Summary)
  In summary, the corners 36 and 39 areH pointFromPoint IDuringPoint IFromPoint JOrPoint JFromK pointsIn the case of being located between the two, the presence / absence of the collision of the spray with the collision part and the strength of the collision are basically the same as in the case of the single collision part 21 during the homogeneous combustion and the stratified combustion. However, according to the sleeve having the plurality of collision portions 35 and 38, the number of times the spray collides with the collision portions 35 and 38 increases, and the dispersibility and penetration force are more effectively suppressed accordingly.
[0042]
【Example】
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
(Configuration of Example)
FIG. 9 shows an embodiment of the present invention. The fuel injection nozzle according to this embodiment includes the nozzle body 110, the needle valve 115, the orifice plate 50, and the sleeve 55.
[0043]
  The orifice plate 50 is made of a thin metal plate and includes a bottom 51 and a cylindrical wall (not shown) as in the conventional example. bottom51Twelve orifices 52 are formed on a locus of a circle having a center with a predetermined radius. Each orifice 52 is formed in a radial shape that proceeds radially outward as it proceeds from the upstream side to the downstream side. The angle formed by the orifice 52 with respect to the axis L of the bottom 51 is 45 degrees. The ratio t / d between the thickness t of the bottom 51 and the hole diameter d of the orifice 52 is 1.3.
[0044]
The sleeve 55 includes a base portion 56 and a cylindrical portion (not shown) as in the conventional example, and is attached to the nozzle body 110 at the cylindrical portion. A hollow hole 58 is formed at the center of the base portion 56, and the inner peripheral wall surface 57 has an inner diameter that increases stepwise (three steps) as it advances from the upstream side to the downstream side. As a result, the first collision part 61, the second collision part 64, and the third collision part 67 are formed in order from the downstream side. The first collision portion 61 includes a first corner portion 62 having an annular shape and a right section, which is defined by an inner peripheral surface parallel to the axis L and a lower end surface perpendicular to the axis L. The first corner portion 62 has a radius r1 from the axis L, a height h1, and a distance from the bottom surface of the bottom portion 51.
[0045]
  The second corner portion of the second collision portion 64 that is annular and has a right-angled cross section65Is r2 whose radius from the axis L is smaller than r1 and whose height is h2 which is lower than h1 and whose distance from the lower surface of the bottom 51 is l2 which is shorter than l1. In addition, the third corner portion 68 provided in the third collision portion 67 and having a right-angled cross section has a radius r3 smaller than the above-described r2 and a height h3 lower than the above-mentioned h2 and a height of the bottom portion 51. The distance from the lower surface is l3 shorter than l2.
[0046]
As a result of the combination of the above distances and lengths, a straight line connecting the orifice 52 and the first corner 62, a straight line connecting the orifice 52 and the second corner 65, and the orifice 52 and the third with respect to the extension line l. The straight lines connecting the corners 68 form the same angle (about 2 degrees). Therefore, the 1st corner | angular part 62, the 2nd corner | angular part 65, and the 3rd corner | angular part 68 are on the same straight line, and are located a little upstream of the extension line l.
(Effect of Example)
In order to confirm the effect of this example, the following experiment was conducted. Fuel (dry solvent) having a pressure of 12 MPa was supplied into the fuel injection nozzle and injected into two sealed spaces having different pressures from the orifice 52 for 3 ms. The pressure in the first sealed space is a pressure of 0.1 MPa, and corresponds to the pressure in the combustion chamber 103 during homogeneous combustion. The pressure in the second sealed space is 0.5 MPa, which corresponds to the pressure in the combustion chamber 103 during stratified combustion.
[0047]
Since the pressure in the first sealed space is low, as shown in FIG. 10, the spray injected from each orifice 52 is hardly affected by the pressure, and proceeds and diffuses in a range extending slightly downstream from the extension line l. Therefore, the spray hardly collides with the third corner portion 68, the second corner portion 65, and the first corner portion 62, and is only a part even when colliding.
[0048]
FIG. 12 shows changes in the properties of the spray injected into the first sealed space. FIGS. 12 (a), 12 (b) and 12 (c) show states after 1 ms, 2 ms and 3 ms have elapsed from the start of injection, respectively. After a lapse of 1 ms from the start of injection, the spray is dispersed small and the penetration force is about 20 mm. Further dispersion occurs after 2 ms, and the penetration force is about 35 to 40 mm. After 3 ms, it is further dispersed, and the penetration force is about 45-50 mm.
[0049]
The sprays ejected from the orifices 52 further collide with each other, and a large dispersibility is obtained. Moreover, there is almost no loss of kinetic energy due to the collision. Accordingly, an ideal spray pattern having a conical shape having a large dispersibility and penetration force is formed.
[0050]
  On the other hand, since the pressure in the second sealed space is high, as shown in FIGS. 11A and 11B, the spray injected from each orifice 52 is pushed outward in the radial direction (see arrow Z). As a result, a considerable portion of the spray is third.Corner68, secondCorner65 and 1stCornerIt collides with 62 and is reflected. That is, a part of the spray collides with the third corner portion 68 and is reflected radially inward and downstream (see arrow P1). And part of the kinetic energy is lost in the event of a collision.
[0051]
Further, a part of the remaining spray collides with the second corner portion 65 and is reflected radially inward and downstream (see arrow P2). Further, a part of the remaining spray collides with the first corner portion 62 and is reflected radially inward and downstream.
[0052]
FIG. 13 shows the properties of the fuel injected into the second sealed space. FIGS. 13 (a), 13 (b) and 13 (c) show states after 1 ms, 2 ms and 3 ms have elapsed from the start of injection, respectively. In 1 ms after the start of injection, there is not much dispersion, and the penetration force is about 20 mm. In addition, dispersion does not progress even after 2 ms, and the penetration force is about 40 mm. Further, dispersion does not progress even after 3 ms, and the penetration force is about 60 mm. These dispersibility and penetrating force are smaller than the dispersibility and penetrating force when jetting into the first sealed space.
As a result, an ideal spray pattern that is compact and elongated with reduced dispersibility and penetration is formed.
[0053]
The first, second, and third corners 62, 65, and 68 are perpendicular to each other in cross section, and the spray on the upstream side of the corner edge is reflected, but the spray on the downstream side is not reflected, and a predetermined spray pattern is formed. It is convenient in obtaining. Further, since the first, second, and third corners 62, 65, and 68 have the above shape, the sleeve 55 including the first, second, and third collision portions 61, 64, and 67 is easy to form. .
(Reference example)
A first reference example, a second reference example, a third reference example, and a fourth reference example in which the positional relationship of the first corner portion 62, the second corner portion 65, and the third corner portion 68 with respect to the extension line l is different from that of the above embodiment. And the same test as the above example was conducted. In the first reference example, the first corner portion 62 is located at a point B (about 2 degrees upstream) in FIG. 9, and in the second reference example is located at a point C (about 4 degrees upstream). In the reference example, it is located at point D (about 6 degrees upstream), and in the fourth reference example, it is located at point E (more than 6 degrees upstream). In the first to fourth reference examples, the dimensions and shapes of the first corner portion 62, the second corner portion 65, and the third corner portion 68 are the same as those in the above embodiment.
[0054]
As a result, when the first corner portion 62 is located at point A, the dispersibility and penetration force of the spray during stratified combustion was suppressed, but the dispersibility and penetration force required during homogeneous combustion could not be obtained. . Moreover, when the 1st corner | angular part 62 was located in C point, the spray disperse | distributed a little at the time of stratified combustion. In addition, the spray was dispersed to some extent during homogeneous combustion, but did not become an ideal conical shape.
[0055]
Further, when the first corner portion 62 is located at the point D, the dispersibility of the spray during stratified combustion is hardly suppressed, which is insufficient to achieve the object of the present invention. Moreover, when the 1st corner | angular part 62 is located in E point, the dispersibility of the spray at the time of stratified combustion is not suppressed at all, and the objective of this invention was not achieved.
[0056]
【The invention's effect】
As described above, the fuel injection nozzle of the present invention directly injects a spray of gasoline into the combustion chamber at the time of stratified combustion in a direct injection type gasoline engine. The injected spray of gasoline collides with a collision portion formed in a part of the hollow hole of the sleeve. The spray is reflected radially inward and downstream at the impingement part, thereby suppressing dispersibility. In addition, a part of the kinetic energy is lost at the time of collision with the collision part, and the penetration force is suppressed. Gasoline spray with reduced dispersibility and penetration forces ensures that the gasoline engine in the stratified combustion mode generates moderate and low power.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a longitudinal cross-sectional explanatory view (left half omitted) showing a first embodiment of a fuel injection nozzle of the present invention.
FIGS. 2A, 2B, 2C, and 2D are explanatory views showing a modified example of a collision portion.
FIGS. 3A and 3B are explanatory views showing a modified example of a collision portion. FIGS.
4A and 4B are explanatory views showing spray patterns. FIG.
FIGS. 5A and 5B are explanatory views showing spray patterns. FIGS.
FIGS. 6A and 6B are explanatory views showing a modification of the spray pattern. FIGS.
FIG. 7 is a longitudinal cross-sectional explanatory view (left half is omitted) showing a second embodiment of the fuel injection nozzle of the present invention.
FIGS. 8A and 8B are explanatory views showing a sleeve having a plurality of collision portions. FIG.
FIG. 9 is a longitudinal sectional view of an essential part showing an embodiment of the present invention.
FIG. 10 is an explanatory view showing a spray pattern at the time of homogeneous combustion in the embodiment.
FIGS. 11A and 11B are explanatory views showing spray patterns at the time of stratified combustion in the embodiment.
FIGS. 12A, 12B, and 12C are explanatory diagrams showing a relationship between a time during homogeneous combustion and a spray pattern in the embodiment.
FIGS. 13A, 13B, and 13C are explanatory views showing the relationship between the time during stratified combustion and the spray pattern in the embodiment.
FIG. 14 is an explanatory view showing homogeneous combustion of a general direct injection gasoline engine.
FIG. 15 is an explanatory diagram showing stratified combustion of a general direct injection gasoline engine.
FIG. 16 is a longitudinal sectional view showing an example of a conventional fuel injection nozzle.
[Explanation of symbols]
10: Injection hole plate 12: Injection hole
16: Hollow hole 17: Inner peripheral wall
20: Collision part 21: Corner part
l: Extension line 110: Nozzle body
115: Needle valve

Claims (6)

ノズル孔を区画する内周壁面上に環状の弁座が形成されたノズルボデイと、
前記内周壁面に対向する外周壁面上に環状の弁部が形成され、軸方向に移動されることにより該弁部が前記弁座に離着座するニードル弁と、
前記ノズルボデイに取り付けられ、前記ノズル孔に対向する複数の噴孔の下流側に位置する内周壁面に、該噴孔から成層燃焼時の燃焼室に直接噴射されるガソリンの噴霧が衝突する衝突部を備えたスリーブと、を備えた燃料噴射ノズルにおいて、
ガソリンの噴霧は、均質燃焼時の燃焼室に噴射されるとき前記衝突部に衝突しないことを特徴とする燃料噴射ノズル。
A nozzle body in which an annular valve seat is formed on the inner peripheral wall surface defining the nozzle hole;
An annular valve portion is formed on the outer peripheral wall surface facing the inner peripheral wall surface, and the valve portion is separated from and seated on the valve seat by being moved in the axial direction;
A collision part that is attached to the nozzle body and collides with an inner peripheral wall surface located downstream of a plurality of injection holes facing the nozzle holes, with gasoline spray directly injected from the injection holes into a combustion chamber during stratified combustion A fuel injection nozzle comprising:
A fuel injection nozzle characterized in that the spray of gasoline does not collide with the collision part when being injected into a combustion chamber during homogeneous combustion.
前記衝突部は前記噴孔の軸線の延長線よりも2から5度上流側に位置しており、成層燃焼時には少ない噴霧が該衝突部に衝突する請求項1に記載の燃料噴射ノズル。2. The fuel injection nozzle according to claim 1, wherein the collision portion is located 2 to 5 degrees upstream of an extension line of the axis of the nozzle hole, and a small amount of spray collides with the collision portion during stratified combustion . 内径が異なり上下流方向に離れた複数の前記衝突部が前記噴孔の軸線の延長線上で整列している請求項2に記載の燃料噴射ノズル。 3. The fuel injection nozzle according to claim 2, wherein a plurality of the collision portions having different inner diameters and separated in the upstream and downstream directions are aligned on an extension line of the axis of the injection hole. 各前記衝突部は環状の角部から成る請求項に記載の燃料噴射ノズル。The fuel injection nozzle according to claim 3 , wherein each of the collision portions includes an annular corner portion. 前記噴孔は前記ノズルボディに取り付けられた噴孔板に形成されている請求項1に記載の燃料噴射ノズル。The fuel injection nozzle according to claim 1, wherein the injection hole is formed in an injection hole plate attached to the nozzle body. 前記噴孔板の厚さtと該噴孔の孔径dとの比t/dは0.5から2.0である請求項に記載の燃料噴射ノズル。The fuel injection nozzle according to claim 5 , wherein a ratio t / d between a thickness t of the nozzle hole plate and a hole diameter d of the nozzle hole is 0.5 to 2.0.
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