JP4123938B2 - 燃料噴射システム - Google Patents

Description

【０００１】
背景技術
本発明は、独立請求項の上位概念部に記載した形式の燃料噴射システムから出発する。
【０００２】
ドイツ連邦共和国特許出願公開第１９８２７２１９号明細書に基づき、内燃機関に用いられる燃料噴射システムが公知である。この公知の燃料噴射システムはインジェクタを有している。このインジェクタは燃料噴流調整プレートを備えている。この燃料噴流調整プレートは第１のノズル孔と第２のノズル孔とを有している。第１のノズル孔は第１の円に沿って配置されており、第２のノズル孔は第２の円に沿って配置されている。第２の円は、第１の円の直径よりも大きく寸法設定された直径を有している。この場合、両円は調整プレートの中心軸線に対して同軸的に配置されている。第２のノズル孔の各孔軸線は、弁体の中心軸線に対して垂直である基準平面と鋭角を成している。この鋭角は、第１のノズル孔の各孔軸線によって基準平面と共に形成される鋭角よりも小さく設定されている。したがって、第１のノズル孔を通って噴射される燃料噴霧を、第２のノズル孔を通って噴射される燃料噴霧から離れる方向に向けることができる。結果として、第１のノズル孔を通って噴射される燃料噴霧は、第２のノズル孔を通って噴射される燃料噴霧を妨害しない。これによって、噴射された燃料を適切に噴霧することが可能となる。
【０００３】
ドイツ連邦共和国特許第１９６４２６５３号明細書に基づき、点火可能な燃料・空気混合物（混合気）を形成するための方法が公知である。直接噴射式の内燃機関のシリンダ内には、ピストンによって仕切られた各燃焼室内にインジェクタを用いて、ノズル開口を有する弁座からの弁部材の持上りによるノズル開口の開放時に燃料が噴射されることによって、点火可能な燃料・空気混合物が形成可能となる。内燃機関のあらゆる運転条件下、特に層状給気運転において、消費率・エミッション最適化された内側の混合気形成を全特性マップのあらゆる運転点で可能にするためには、弁部材の開放行程と噴射時間とが可変に調整可能であることが提案されている。
【０００４】
ドイツ連邦共和国特許出願公開第１９８０４４６３号明細書に基づき、混合気圧縮型の火花点火式の内燃機関に用いられる燃料噴射システムが公知である。この公知の燃料噴射システムは、ピストン・シリンダ装置によって形成された燃焼室内に燃料を噴射する噴射弁と、燃焼室内に突入した点火プラグとを備えている。噴射弁は、噴射ノズルの全周にわたって分配されて配置された少なくとも一列の噴射孔を備えている。これらの噴射孔を介して燃料を適切に噴射することによって、混合気クラウドの形成によるスプレーガイド燃焼法が実現される。この場合、少なくとも１つの噴流が点火のために点火プラグの方向に向けられている。少なくともほぼ閉鎖されたかもしくはまとめられた混合気クラウドを形成する別の噴流が設けられている。
【０００５】
上述した刊行物に基づき公知の混合気形成法もしくは燃料噴射システムには、特に混合気クラウドの、不足した均質度ならびに点火可能な混合気を点火プラグの火花ギャップの領域に搬送する問題の欠点がある。エミッションの少ない、燃料を節約した燃焼を可能にするためには、これらの事例では、複雑な燃焼室ジオメトリ、スワールバルブまたは渦流発生機構が使用されなければならない。これによって、一方では、燃焼室が燃料・空気混合物で充填され、他方では、点火可能な混合気が点火プラグにガイドされる。
【０００６】
この場合、たいてい点火プラグに燃料が直接噴き付けられる。これによって、点火プラグのより激しい燻りおよび頻繁な熱衝撃が生ぜしめられる。これによって、点火プラグがより短い耐用年数を有している。
【０００７】
さらに、ドイツ連邦共和国特許第１９６４２６５３号明細書に基づき公知の、点火可能な燃料・空気混合物を形成するための方法には、特に層状給気運転で小さな燃料量を精確に調量することが不可能となるという欠点がある。なぜならば、燃料噴射弁の開閉のための時間を十分正確に制御することができないからである。
【０００８】
さらに、複雑な燃焼室ジオメトリならびにスワール調整装置を備えた燃料噴射弁には、製作が困難となり得ると同時に生産にかかる費用が高価となるという欠点がある。
【０００９】
発明の利点
独立請求項の特徴部に記載の特徴を備えた本発明による燃料噴射システムは従来のものに比べて、互いに異なる直径の噴射孔を配置することによって、噴射された燃料噴流の弁付近の領域に濃度増加を有する混合気クラウドが燃焼室内に形成されるという利点を有している。これによって、点火プラグの領域で点火時点の遅れが達成される。これによって、混合気クラウドの、エミッションの少ない迅速な燃焼を得ることができる。
【００１０】
従属請求項に記載した手段によって、独立請求項に記載した燃料噴射システムの有利な構成が可能となる。
【００１１】
大きい方の主噴射開口の間に小さい方の副噴射開口を配置することは特に有利である。この場合、この副噴射開口は十字状にまとめられているかまたは中心の噴射開口を中心とした同心的な円にまとめられている。
【００１２】
副噴射開口の直径に対する軸方向の長さの、減少させられた比率を有する副噴射開口の加工成形も有利である。これによっても、噴流拡張をより少ない貫徹力で達成することができる。
【００１３】
中心の噴射開口における副噴射開口の直径に対する長さの比率の減少は特に有利である。なぜならば、この場合、極めて僅かな手間で混合気クラウドの濃度増加を弁付近の領域に得ることができるからである。
【００１４】
さらに、円錐形の噴射開口の使用が有利である。なぜならば、この噴射開口は容易に製作可能であり、大きな噴流拡張を可能にしているからである。
【００１５】
実施例の説明
以下に、本発明の実施例を図面につき詳しく説明する。
【００１６】
図１には、公知先行技術による燃料噴射システム１の実施例の概略的な断面図が示してある。この燃料噴射システム１は燃焼室２を有している。この燃焼室２は、シリンダ壁３と、シリンダヘッド４と、ピストン５とによって仕切られる。このピストン５には燃焼室キャビティ６が形成されている。燃焼室２の天井７には、２つの電極１５を備えた点火プラグ８が、たとえば中心に配置されている。吸気弁９と排気弁１０とは燃焼室２の天井斜面１１に図示してある。シリンダ壁３とシリンダヘッド４との間に側方から配置された燃料噴射弁１２はコーン状の混合気クラウド１３を燃焼室２内に噴射する。燃焼室キャビティ６のジオメトリならびに混合気クラウド１３の形状は、点火プラグ８の両電極１５の間に延びている火花ギャップ１４の領域への混合気クラウド１３の経路を規定している。混合気クラウド１３は点火プラグ８の電気火花によって点火される。
【００１７】
混合気クラウド１３は、従来の燃料噴射システム１では、燃料噴射弁１２の噴射特性に基づき条件付けられてしか化学量論的でない。噴流フロント、すなわち、混合気クラウド１３の、燃料噴射弁１２から最も遠く離れていて、時間的に最初に噴射された領域は最大の液滴サイズによって噴霧内に規定されているのに対して、噴流エンド、すなわち、混合気クラウド１３の、燃料噴射弁１２の最も近くに位置していて、時間的に最後に噴射された領域は最小の液滴によって規定されている。この両領域の間の燃料の分布は、一貫した理論混合気を形成することができるようにはなっていない。一方では、混合気がガウス分布もしくは正規分布で大きな液滴または小さな液滴よりも著しく多くの中サイズの液滴を有しており、他方では、たとえば燃料噴射弁１２の開閉時の質量流量における変化および流体動力学的な現象も混合気の化学量論的組成に影響を与え得る。
【００１８】
混合気クラウド１３の、上述した欠点を除去することができるように、本発明によれば、噴射された混合気クラウド１３に孔配置形式、孔直径および／または孔直径に対する軸方向の孔長さの比率によって影響を与える手段が設けられている。これによって、図２に概略的に示したように、噴流根元領域２０、すなわち、燃料噴射弁１２の最も近くに位置していて、時間的に最後に噴射された領域には、高い貫徹力と僅かな開き角とを備えた主噴流２１が副噴流２２によって補填されるように影響が与えられる。この副噴流２２は僅かな貫徹力および／または主噴流２１よりも大きな開き角の点で優れている。これによって、混合気クラウド１３の、燃料噴射弁１２の最も近くに位置する部分を濃度増加させることができる。
【００１９】
すでに上述したように、噴流根元領域２０での混合気クラウド１３の濃度増加の目的のためには、燃料噴射弁１２の噴射開口の直径および／または数に関する種々異なる手段をとることができる。
【００２０】
図３Ａには、本発明により形成された燃料噴射システム１の燃料噴射弁１２の弁座体２４に設けられた噴射開口２６，２７の配置形式の第１実施例が示してある。図面は、孔付きプレート２５の平面図として見ることができる。この孔付きプレート２５は弁座体２４と一体に形成されているかまたは弁座体２４に載置されている。
【００２１】
孔付きプレート２５は、本実施例では、２１個の主噴射開口２６を有している。これらの主噴射開口２６は、外側に位置する円にかつ孔付きプレート２５に設けられた中心の噴射開口２８を備えた内側に位置する星状の配置形式で配置されている。また、孔付きプレート２５は２０個の副噴射開口２７を有している。これらの副噴射開口２７は主噴射開口２６の間の中間スペースに規則的に形成されている。この場合、副噴射開口２７は主噴射開口２６よりも著しく僅かな直径を備えている。これによって、副噴射開口２７から噴射される副噴流２２の貫徹力は、主噴射開口２６から噴射される主噴流２１の進入深さの約２０〜５０％としかならない。
【００２２】
この場合、主噴射開口２６の孔直径は５０μｍ〜１００μｍに寸法設定することができるのに対して、副噴射開口２７の直径は３０μｍ〜７０μｍに寸法設定することができる。
【００２３】
図３Ｂには、弁座体２４の孔付きプレート２５に設けられた主噴射開口２６と副噴射開口２７との組合せに対する別の実施例が図３Ａと同様の図で示してある。
【００２４】
この実施例では、主噴射開口２６だけでなく副噴射開口２７も同心的な円に配置されている。これによって、孔付きプレート２５が簡単に製作可能となり、混合気クラウド１３が半径方向で核領域において極めて均質となる。
【００２５】
噴流根元領域２０の濃度増加の別の可能性は、軸方向の孔長さｌを、孔付きプレート２５に設けられた噴射開口２６の孔直径ｄに比べて減少させることにある。
【００２６】
図４Ａおよび図４Ｂには、図３Ａおよび図３Ｂと同様の図で主噴射開口２６と副噴射開口２７との配置形式が示してある。この主噴射開口２６と副噴射開口２７とは、減少させられた比率ｌ／ｄを有している。この場合、主噴射開口２６の配置形式は、図３Ａに示した配置形式に相当している。
【００２７】
図４Ａには、４つの付加的な副噴射開口２７を備えた配置形式が示してある。これらの副噴射開口２７は、より良好に区別するために破線で図示してあり、中心の噴射開口２８を中心として十字状に配置されているのに対して、図４Ｂでは、中心の噴射開口２８しか、減少させられた比率ｌ／ｄを有していない。このことは、特に単純なかつ容易に製作可能な配置形式を成している。付加的には、副噴射開口２７が、減少させられた直径を有していてもよい。
【００２８】
図５Ａには、減少させられた比率ｌ／ｄを備えた少なくとも１つの副噴射開口２７の使用時の、噴射された混合気クラウド１３の概略図が図２と同様の図で示してある。副噴射開口２７の開き角の拡張によって、副噴流２２は主噴流２１よりも僅かな貫徹力と大きな開き角とを有している。これによって、噴流根元領域２０の濃度増加が得られる。副噴射開口２７の適切な分配時には、均質な濃度増加を得ることができる。
【００２９】
図５Ｂには、減少させられた比率ｌ／ｄを備えた副噴射開口２７の領域における、図５Ａに符号ＶＢで示した区分が部分的な断面図で示してある。副噴射開口２７の軸方向の長さｌは拡張部２９によって減少させられている。この拡張部２９は、たとえば穿孔によって孔付きプレート２５に加工成形可能である。
【００３０】
図５Ｃには、副噴射開口２７の別の実施例が示してある。この副噴射開口２７は円錐形に形成されているので、流出領域における直径は流入領域における直径に比べて著しく拡張されている。
【００３１】
図５Ｂおよび図５Ｃに示した形の副噴射開口２７は、図４Ａまたは図４Ｂに示した各孔付きプレート２５に使用することができる。貫徹力がより僅かな場合の噴流角度の拡張と噴流根元領域２０の濃度増加との効果はあらゆる事例に匹敵し得る。
【００３２】
さらに、メイン噴射パルス後、付加的な燃料量をシリンダ内に噴射しひいては混合気の濃度増加に貢献するポスト噴射パルスが誘導されるように、前述した手段をノズル付近の噴流根元領域２０の濃度増加の付加的な手段に組み合わせることが可能となる。
【００３３】
本発明は、図示の実施例に限定されておらず、たとえば噴射開口の別の配置形式または複数の特徴の組合せに対しても使用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 公知先行技術による燃料噴射システムの実施例の概略的な断面図である。
【図２】 本発明により形成された燃料噴射システムによって噴射された混合気クラウドの例示的な概略的な断面図である。
【図３Ａ】 主噴射開口と副噴射開口とを備えた弁体の第１実施例の横断面図である。
【図３Ｂ】 主噴射開口と副噴射開口とを備えた弁体の第２実施例の横断面図である。
【図４Ａ】 互いに異なる寸法に設定された噴射開口を備えた弁体の第３実施例の横断面図である。
【図４Ｂ】 互いに異なる寸法に設定された噴射開口を備えた弁体の第４実施例の横断面図である。
【図５Ａ】 本発明により形成された燃料噴射システムの、円錐形に成形された噴射開口を備えた燃料噴射弁の弁閉鎖体の第５実施例の概略図である。
【図５Ｂ】 図５Ａに示した領域ＶＢにおける円錐形の噴射開口の拡大図である。
【図５Ｃ】 図５Ａに示した領域ＶＢにおける第６実施例の概略図である。
【符号の説明】
１ 燃料噴射システム
２ 燃焼室
３ シリンダ壁
４ シリンダヘッド
５ ピストン
６ 燃焼室キャビティ
７ 天井
８ 点火プラグ
９ 吸気弁
１０ 排気弁
１１ 天井斜面
１２ 燃料噴射弁
１３ 混合気クラウド
１４ 火花ギャップ
１５ 電極
２０ 噴流根元領域
２１ 主噴流
２２ 副噴流
２４ 弁座体
２５ 孔付きプレート
２６ 主噴射開口
２７ 副噴射開口
２８ 噴射開口
２９ 拡張部

Claims (6)

1. 内燃機関に用いられる燃料噴射システム（１）であって、燃料噴射弁（１２）が設けられており、該燃料噴射弁（１２）が、燃料を燃焼室（２）内に直接噴射するようになっており、該燃焼室（２）が、シリンダ壁（３）によって形成されるようになっており、該シリンダ壁（３）にピストン（５）が案内されており、さらに、燃焼室（２）内に突入した点火プラグ（８）が設けられており、燃料噴射弁（１２）が、燃焼室（２）内に、燃料噴射弁（１２）の弁座体（２４）に結合されたかまたは弁座体（２４）と一体に形成された孔付きプレート（２５）に配置された主噴射開口（２６）によって混合気クラウド（１３）を発生させるようになっており、孔付きプレート（２５）が、副噴射開口（２７）を有しており、該副噴射開口（２７）の直径が、主噴射開口（２６）の直径よりも小さく寸法設定されている形式のものにおいて、
   副噴射開口（２７）が、主噴射開口（２６）に比べて、軸方向の長さｌと直径ｄとの、減少させられた比率を有しており、副噴流（２２）が、主噴流（２１）に少なくとも部分的にオーバラップしていることを特徴とする、燃料噴射システム。
2. 副噴射開口（２７）から噴射される副噴流（２２）の貫徹力が、主噴射開口（２６）から噴射される主噴流（２１）の貫徹力よりも僅かである、請求項１記載の燃料噴射システム。
3. 副噴射開口（２７）が、段付けされた横断面を有している、請求項１記載の燃料噴射システム。
4. 副噴射開口（２７）が、円錐形の横断面を有している、請求項３記載の燃料噴射システム。
5. 段付けされたかまたは円錐形の副噴射開口（２７）の流入側の直径が、噴射側の直径よりも小さく寸法設定されている、請求項３または４記載の燃料噴射システム。
6. 主噴射開口（２６）の直径が、５０μｍ〜１００μｍの範囲内にあり、副噴射開口（２７）の直径が、３０μｍ〜７０μｍの範囲内にある、請求項１から５までのいずれか１項記載の燃料噴射システム。

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