CN1752429A - 用于高压喷射的喷射器 - Google Patents

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Abstract

喷射器(3)具有壳体(38、40)、指令活塞(35)、控制室(33)、针(36)、喷嘴室(44)、燃料流入通路(31)、燃料排出通路(32)以及电动阀(34)。所述壳体(38、40)可滑动地支撑指令活塞(35)和针(36)。所述壳体(38)和指令活塞(35)的一个端面封闭控制室(33)。所述针(36)被设置在指令活塞(35)的另一个端面侧处。所述壳体(38、40)和针(36)的前端部分封闭喷嘴室(44)以便于将高压燃料积聚在其中。燃料排出通路(32)在燃料排出口(51)处通向控制室(33)以将高压燃料从控制室中(33)排出。所述燃料排出口(51)靠近于指令活塞(35)的最上部位置。

Description

用于高压喷射的喷射器
技术领域
本发明涉及用于喷射高压燃料的喷射器。
背景技术
每个国家中的现行严格低污染排放机动车守则都要求每次燃料喷射中恰当的高喷射精确性。具体地,依照严格低污染排放机动车守则,要求现在的柴油机执行引燃喷射或多次喷射,因此要求增加每次燃料喷射的喷射精确性。然而,喷射器中的制造公差和/或长期变化可改变喷射量和/或喷射时限。因此,要求研发一种在长期使用后还保持高喷射精确性的喷射器。
在下文中将描述其中制造公差和/或长期变化破坏喷射器的燃料喷射精确性的一个示例。
图5示意性地显示传统喷射器3的一种结构(例如,参见US-6,698,666-B和其对应JP2003-97378-A)。喷射器3具有燃料流入通路31、燃料排出通路32、控制室33、控制阀34、指令活塞35、针36、壳体38以及喷嘴室44。壳体38支撑指令活塞35和针36以允许它们在其中往复移动。壳体38和指令活塞35封闭它们之间的控制室33以便于限定出其轮廓。高压燃料通过燃料流入通路31被引入到控制室33中。积聚在控制室33中的高压燃料通过燃料排出通路32被排出。由控制阀34堵塞和打开燃料排出通路32,所述控制阀34由诸如电磁阀的电动阀驱动。喷嘴室44被设置在针36周围,并且高压燃料被供应到其中以便于沿阀打开方向推动针36。
如图2A中所示的,当喷射器3打开时,电磁阀被接通以便于拉起控制阀34从而打开燃料排出通路32。之后,活塞控制压力Pcc从共轨压力Pc降低到阀打开压力Popn,所述活塞控制压力Pcc是由控制室33中的高压燃料沿喷射器3的轴向施加在指令活塞35上的压力;因此圆锥形状的针头36a升离形成在壳体中的针座45,从而通过喷射孔46开始喷射高压燃料。由于活塞控制压力Pcc降低得低于阀打开压力Popn,因此从接通电磁阀到燃料喷射起动耗费了时间(在下文中称之为喷射起动延迟)Tds。
也就是说,指令活塞35接收了沿阀关闭方向(图1中向下)的活塞控制压力Pcc。针36接收了沿阀打开方向(图1中向上)的反压力Pc。反压力Pc约等于共轨压力Pc。因此,为了通过喷射器3起动燃料喷射,压力差(Pc-Pcc)必须超过阀打开压力差dP0。因此,为了通过喷射器3起动燃料喷射,必须将活塞控制压力Pcc降低到阀打开压力Popn以下从而使得压力差(Pc-Pcc)变得超过阀打开压力差dP0。
在忽略由阀复位弹簧沿阀关闭方向施加在指令活塞35上的阀返回力的简单描述中,活塞控制压力Pcc在指令活塞35上施加像活塞控制压力Pcc与指令活塞35的上游端表面上的压力接收面积Scc的乘积(Pcc×Scc)那么大的阀关闭力。反压力Pcc在指令活塞35上施加像反压力Pc与指令活塞35的下游端表面上的压力接收面积Snc的乘积(Pc×Snc)那么大的阀打开力。因此,如果在针座部分47的直径Dns中出现制造公差和/或长期变化的话,压力接收面积Scc改变,从而上述阀打开力也改变。具体地,阀打开压力Popn降低到如图2A中所示的Popn’。因此,为了通过喷射器3起动燃料喷射,必须调节活塞控制压力Pcc。
阀打开压力从Popn到Popn’的改变还将喷射起动延迟从Tds改变为Tds’。也就是说,如果针座部分47的直径Dns包括较大公差或误差的话,喷射起动延迟从Tds改变为Tds’,因此根据当前驱动状态计算的目标喷射量Q0和目标喷射时限T0包括破坏燃料喷射的高精确性的偏离其理想值的误差。
当喷射器3被封闭以停止燃料喷射时,如图6A和6B中所示的,针头36a与针座45相分离,以使得阀关闭时限不会由于针座部分47的直径Dns的改变而偏离。也就是说,阀关闭时限不受所出现的制造公差和/或长期变化的影响,所述变化可出现在针座部分47的直径Dns中。
发明内容
考虑到上述问题,本发明的目的是提供一种具有较迅速喷射反应和高精确性的喷射器,而与制造公差和/或长期变化无关。
喷射器具有壳体、指令活塞、控制室、针、喷嘴室、燃料流入通路、燃料排出通路、以及电动阀。壳体滑动地支撑指令活塞。壳体和指令活塞的一个端面封闭控制室。针被设置在指令活塞的另一端面侧并且由壳体滑动地支撑。壳体和针的前端部分封闭喷嘴室以便于将高压燃料积聚在其中。壳体具有喷射孔,喷射孔由针打开和阻断。燃料排出通路在燃料排出口处朝向控制室打开,以便于将高压燃料从控制室排出。燃料排出口靠近于指令活塞的最上部位置。电动阀用于打开和阻断燃料排出通路。
附图说明
通过研读以下构成本申请一部分的详细描述、所附权利要求以及附图将理解本发明的其它目的、特征和优点,以及相关部件的操作方法和功能。在附图中:
图1是本发明一个实施例的喷射器的示意性横截面图;
图2A是显示根据传统喷射器打开控制阀之后活塞控制压力特征的图表;
图2B是显示打开控制阀之后根据本实施例的喷射器的活塞控制压力特征的图表;
图3A是显示传统喷射器的喷射速率转变的图表;
图3B是显示根据本实施例的喷射器的喷射速率转变的图表;
图4是显示具有根据本实施例的喷射器的共轨燃料喷射系统的示意图;
图5是传统喷射器的示意性截面图;
图6A是传统喷射器的动作的解释图;以及
图6B是传统喷射器的动作的解释图。
具体实施方式
下面将参照附图1、2A、2B、3A、3B和4描述根据本发明第一实施例的喷射器3。喷射器3与共轨2、燃料泵4、发动机控制单元(ECU)5等一起形成用于柴油机1的共轨燃料喷射系统。ECU5用于控制喷射器3和共轨燃料喷射系统的其它部件的运行。柴油机1具有用于依次重复地执行进气冲程、压缩冲程、动力冲程以及排气冲程的多个气缸。图4显示具有四个气缸的共轨燃料喷射系统,这仅作为示例,但是气缸的数量可改变。
共轨2是用于积聚高压燃料的积聚室,其中高压燃料将被供应到喷射器3。燃料管线(高压燃料通路)6将燃料泵4的出口连接到共轨2,以保持预定共轨压力Pc,该压力是积聚在共轨2中的高压燃料的压力并且相当于对喷射器3的燃料供应压力。泄漏燃料管线(燃料回收通路)7将喷射器3泄漏的燃料输送回燃料箱8。将共轨2与燃料箱8相连接的卸载管路装有压力限制器11。具体地,压力限制器11是压力安全阀,当共轨2中的燃料压力达到特定临界压力时所述压力安全阀打开,以将燃料压力限制在预定临界压力范围内。
喷射器3被插入并安装在柴油机1的每个气缸的气缸头上。喷射器3被连接于高压燃料管线10的下游端,其中高压燃料管线10从共轨2分出来,并且将供自共轨2的高压燃料喷射到柴油机1的气缸中。稍后将描述喷射器3的详细结构。
燃料泵4在高压下向共轨2供应燃料。具体地,燃料泵4包括供给泵和高压泵。供给泵从燃料箱8中抽吸燃料,而高压泵对于供给泵所抽吸的燃料进行增压之后将燃料供给到共轨2中。单凸轮轴12驱动供给泵和高压泵。通过柴油机1的曲轴13等使得凸轮轴12转动。燃料泵4装有抽吸控制阀(SUV)14,并且ECU5控制SUV14以调节共轨压力Pc。
ECU5包括具有传统结构的微电脑,所述结构具有CPU、存储器装置、输入电路、输出电路、电源电路、喷射器驱动电路、泵驱动电路。存储器装置是由ROM、读写存储器(EEPROM,等)、RAM等构成的并且将程序和数据储存在其中。CPU接收电信号并且基于所述电信号执行控制过程和数值计算,所述电信号是依照柴油机1的驱动状态和从传感器中发出的驾驶员操作状态从传感器中发出的。传感器包括例如用于检测节流阀打开程度的节流阀传感器21、用于检测柴油机1的转动频率的转动频率传感器22、用于检测柴油机1的冷却剂温度的冷却剂温度传感器23、用于检测共轨压力Pc的共轨压力传感器24、以及其它传感器25。
ECU5包括作为用于喷射器3的驱动控制的程序的目标喷射量计算器5a和目标喷射时限计算器5b。ECU5还包括作为用于SCV14的驱动控制的程序的目标压力计算器5c,即,作为用于燃料泵4的出口压力控制的程序。
目标喷射量计算器5a是控制程序,用于根据当前驱动条件确定目标喷射量Q0,之后确定用于喷射像目标喷射量Q0那么多的燃料的喷射器驱动时间,并且产生喷射持续时间信号,具体为喷射信号的接通信号的持续时间或喷射器3的驱动时间,从而执行喷射器驱动时间下的燃料喷射。
目标喷射时限计算器5b是控制程序,用于根据当前驱动条件确定目标喷射时限T0以开始理想点火时限下的点火,之后确定用于在目标喷射时限T0下开始燃料喷射的喷射指令时限,并且在喷射指令时限下在喷射器驱动电路中产生喷射开始信号,具体为接通喷射信号。
目标压力计算器5c是控制程序,用于确定目标共轨压力Pc0(燃料供应压力),之后确定SCV14的开口程度以便于将共轨压力传感器24所检测的共轨压力Pci调节为目标共轨压力Pc0,并且在SCV驱动电路中产生诸如PWM信号的阀打开信号,以便于将SCV设定为SCV打开程度。
已参照图1描述了喷射器3的详细结构。喷射器3用于将供自共轨2的高压燃料喷射到柴油机1的气缸中。具体地,喷射器3具有燃料流入通路31、燃料排出通路32、控制室33、控制阀34、指令活塞35、针36以及喷嘴37。控制室33中的燃料压力用作活塞控制压力Pcc,以在指令活塞35的上游端面上施加阀关闭力。燃料流入通路31将高压燃料引入到控制室33中以便于将活塞控制压力Pcc增高到共轨压力Pcc。电磁阀用作用于打开和阻断燃料排出通路32的控制阀34,从而通过燃料从控制室33的泄漏而调节活塞控制压力Pcc。当活塞控制压力Pcc降至阀打开压力Popn以下时,针36升高以便通过喷嘴37喷射燃料。
诸如喷嘴座的喷射器3的壳体38具有气缸41、高压燃料通路42、低压燃料通路(未示出)等。气缸41被形成在壳体38中并且使得指令活塞35以可往复移动的方式安装于其中。高压燃料通路42将通过高压燃料管线10从共轨2中供应的高压燃料引入到喷嘴37中和燃料流入通路31中。低压燃料通路43将喷射器3的泄漏燃料引入到位于低压侧的泄漏燃料管线7中。压力销(未示出)被设置在指令活塞35与针36之间以将它们相互连接。弹簧(未示出)被绕着压力销设置,以便施加恢复力从而使针36安放在针座45上。壳体和指令活塞35在气缸41下游侧空间处封闭它们之间的控制室33以便于限定出其轮廓。控制室33随着指令活塞35的往复运动改变其容积。对应于压力接收面积Scc的指令活塞35的上游端面接收控制室33中的燃料压力以便于将其自身安放在针座45上。具体地,设置在壳体38上游侧处的板40的下游侧表面设置有将与气缸41相通的凹陷部分40a,并且凹陷部分40a的内部用作控制室33。燃料流入通路31将供自高压燃料通路42的燃料引入到控制室33中。流入孔被设置在燃料流入通路31中以限制从高压燃料通路42中流入到控制室33中的高压燃料的流速。排出孔被设置在燃料排出通路32中以限制从控制室33中流入到泄漏燃料管线7中的燃料的流速。
电磁阀装有螺线管(未示出)、阀34和阀复位弹簧(未示出)。阀复位弹簧推动阀34以阻断燃料排出通路32。螺线管由于被激励而产生电磁力从而使得阀34移动以便于克服阀复位弹簧的恢复力打开燃料排出通路32。阀34的前端面装有球阀(未示出)以打开和关闭燃料排出通路32的下游端开口。当螺线管未被激励时,阀复位弹簧的恢复力推动球阀以阻断燃料排出通路32。当螺线管被激励时,阀34克服阀复位弹簧的恢复力移动以使得球阀升离阀座,从而打开燃料排出通路32。
壳体38还装有圆柱孔43、喷嘴室44、针座45和多个喷射孔46。圆柱孔43支撑针36以使其在其中往复移动从而打开和关闭喷嘴37。喷嘴室44是围绕圆柱孔43的环形空间。喷嘴室44与高压燃料通路42相通。针座45具有圆锥形形状以便于将针36的圆锥形状的针头36a安放在其上。喷射孔46被设置在直径为Dns的喷嘴座部分47内部,针36在其中安放在针座45上,以便通过喷射孔46喷射高压燃料。
暴露在喷嘴室44中的针36的下游侧表面沿喷射器3的轴向从其中的高压燃料中接收共轨压力Pc。轴向上的下游侧表面的投射面积对应于压力接收面积Pn,其中针36接收共轨压力Pc。针36使得其下游侧表面上的针头36a安放在针座45上以及升离针座45,以便打开和关闭喷射孔46。针头36a在其上游侧具有圆锥形基部而在其下游侧具有圆锥形尖部。圆锥形基部与圆锥形尖部之间的边界位于喷嘴座部分47上。相对于圆锥形基部来说圆锥形尖部被构成为钝头的,以使得圆锥形基部与圆锥形尖部之间的边界与喷嘴座部分47相接触从而中断喷嘴室44与喷射孔46之间的相通。
接下来,将描述喷射器1的燃料喷射操作。当ECU5开始产生作为燃料持续时间信号的电脉冲以启动(接通)电磁阀时,螺线管拉起控制阀34以打开燃料排出通路32,之后控制室33中的活塞控制压力Pcc由于燃料通过燃料排出通路32排出以及通过安装在燃料流入通路31中的流入孔的燃料流入限制而开始降低。当活塞控制压力Pcc降低到阀打开压力Popn以下时,针36开始升离针座45以使喷嘴室44与喷射孔46相通,从而通过喷射孔46喷射供应到喷嘴室44中的高压燃料。从接通电磁阀到燃料喷射开始的时间被称作喷射起动延迟Tds。如图3B中所示的,作为燃料喷射开始时的燃料喷射速率的启动喷射速率Qup随着针36的升高而逐渐增加。启动喷射速率Qup增高到最大喷射速率Qmax,之后在燃料排出通路32打开时保持最大喷射速率Qmax。
当ECU5停止产生电脉冲以停用(关掉)电磁阀时,螺线管停止拉起控制阀34以再次阻断燃料排出通路32,之后控制室33中的活塞控制压力Pcc由于燃料通过燃料流入通路31流入制而开始升高。当活塞控制压力Pcc升高得超过阀关闭压力时,针36开始下落到针座45上以中断喷嘴室44与喷射孔46之间的相通,从而停止通过喷射孔46的燃料喷射。
如果在少量喷射(诸如多次喷射中的引燃喷射)中启动喷射速率Qup达到最大喷射速率Qmax之前电磁阀被关掉的话,喷射速率描绘出近似为三角形的变化。如果在大量喷射(诸如多次喷射中的正常喷射或主喷射)中启动喷射速率Qup达到最大喷射速率Qmax之后电磁阀被关掉的话,喷射速率描绘出如图3B中所示的近似为梯形的变化。
(第一区别性特征)
下面将参照图1描述根据本实施例的喷射器3的第一区别性的结构。
作为控制室33中的燃料排出通路32的开口的燃料排出口51被设置得尽可能靠近于指令活塞35而又不会被指令活塞35阻断。也就是说,与燃料流入口52相比较,燃料排出口51更靠近于指令活塞35。具体地,燃料排出口51被设置在形成于板40中的凹陷部分40a的圆周面上。与凹陷部分40a的底部相比较,燃料排出口51沿喷射器3的轴向(沿指令活塞35的往复方向)更靠近于凹陷部分40a的下游端(指令活塞35侧部端)。燃料排出口51最好被设置得尽可能靠近于指令活塞35的上游端面(压力接收面)。
此外,在燃料排出口51的近端处,燃料排出通路32的径向中心轴线被设置得垂直于凹陷部分40a的圆周面的部分33a,燃料排出口51设置在部分33a。或者,燃料排出通路32可被设置得不垂直于凹陷部分40a的圆周面的部分30a。
设置在指令活塞35近端处的燃料排出口51产生了以下所述的优点。当电磁阀被接通以打开燃料排出通路32时,控制室33中指令活塞35近端处的燃料压力开始比凹陷部分40a底部近端处的燃料压力更快速地降低;从而在指令活塞35上游端面上施加阀关闭力的燃料压力,即,活塞控制压力Pcc快速降低。因此,如图2B中所示的,活塞控制压力Pcc在较短时间降低得低于阀打开压力Popn,从而与传统技术相比较减少了燃料喷射延迟Tds;因此喷射器3在起动燃料喷射方面具有精确反应。与传统技术相比较,活塞控制压力Pcc的快速降低更迅速地升高了针。因此,如图3B中所示的,与传统技术相比较,更迅速地增加了启动喷射速率Qup;因此喷射器3在起动燃料喷射方面具有精确反应。
此外,当电磁阀被接通以打开燃料排出通路32时,活塞控制压力Pcc快速地降低。因此,甚至当制造公差和/或长期变化可能出现在针座部分47的直径Dns上从而在阀打开压力(Popn-Popn’)带来较大变化时,喷射起动延迟的偏离(Tds’-Tds)被限制在较短时间内。也就是说,甚至当制造公差和/或长期变化可能出现在针座部分47的直径Dns上时,也可将喷射起动延迟的偏离(Tds’-Tds)限制在较短时间内。因此,可限制喷射时限的误差,即,可限制目标喷射时限T0与实际喷射时限Ti之间的差异,从而确保较高的喷射精确性。
(第二区别性特征)
下面将描述根据本实施例的喷射器3的第二区别性的结构。
作为控制室33中的燃料流入通路31的开口的燃料流入口52被设置得尽可能靠近于指令活塞35而又不会被指令活塞35阻断。也就是说,与燃料排出口51相比较,燃料流入口52距离指令活塞35更远。具体地,燃料流入口52与燃料排出口51一起被设置在凹陷部分40a的圆周面上。与凹陷部分40a的底部相比较,燃料流入口52沿喷射器3的轴向更远离于凹陷部分40a的下游端。燃料流入口52最好被设置得尽可能远离于指令活塞35的上游端面(压力接收面)。
此外,在燃料流入口52的近端处,燃料流入通路31的径向中心轴线被设置得垂直于凹陷部分40a的圆周面的部分33b,燃料流入口52设置在部分33b。或者,燃料流入通路31可被设置得不垂直于凹陷部分40a的圆周面的部分30a。
如上所述,燃料排出口51被设置得靠近于指令活塞35。除该结构以外,燃料流入口52还被设置得与燃料排出口51相比较距离指令活塞35更远。如上所述那样设置的燃料流入口52和燃料排出口51产生如下所述的优点。当电磁阀被关掉以阻断燃料排出通路32时,在电磁阀的控制阀34的近端处停止燃料流动。由于燃料的黏弹性导致在控制室33的上游侧处停止燃料流动需耗费一些时间。因此,由于燃料的黏弹性导致在靠近于电磁阀的控制阀34的燃料排出口51处的燃料流动比燃料流入口52处的燃料流动更早停止。
燃料流动的更快速停止相当于燃料压力的快速增加,而燃料流动的缓慢停止相当于燃料压力的缓慢增加。如上所述,燃料排出口51被设置得靠近于凹陷部分40a的指令活塞35侧端,而燃料流入口52被设置得靠近于与指令活塞35侧端相对的凹陷部分40a底部;从而指令活塞35近端处的燃料压力比控制室33中其它部分处的燃料压力更早地增加。因此,在停止从喷射器3中的燃料喷射时,活塞控制压力Pcc快速增加。因此,如图3B中停止喷射速率Qdn的陡然下降所示,针36快速安坐在针座45上。也就是说,通过迅速地停止燃料喷射,喷射器3急速停止燃料喷射。通过急速停止燃料喷射,喷射器3用于减少诸如碳氢化合物(HC)、颗粒物质(PM)等有害物质的产生,所述有害物质是由于每次燃料喷射在最后阶段由散布的燃料产生的。
(修正实施例)
上述实施例所涉及的喷射器3装有电磁阀,电磁阀用于通过螺线管的拉拔力启动阀34。或者,本发明自然也可应用于装有诸如用于启动阀34的压电致动器的其它种类电动致动器的喷射器。
上述实施例所涉及的喷射器3被包含在用于柴油机1的共轨燃料喷射系统中。或者,本发明也可用在各种燃料喷射系统中,诸如用于其中没有共轨的汽油发动机中。
实质上本发明的该描述仅是解释性的,因此不脱离本发明要旨的改变都应包含在本发明的保护范围内。不应认为所述改变背离了本发明的精神和保护范围。

Claims (8)

1.一种用于喷射高压燃料的喷射器(3),所述喷射器包括:
壳体(38、40);
由壳体(38、40)支撑以在其中往复移动的指令活塞(35);
由壳体(38、40)和指令活塞(35)的一个端面封闭的控制室(33);
设置在指令活塞(35)的另一个端面侧并且由壳体(38、40)可滑动地支撑的针(36);
由壳体(38、40)和针(36)的前端部分封闭以便在其中积聚高压燃料的喷嘴室(44),喷嘴室(44)设置有通过其喷射高压燃料的喷射孔(46),所述喷射孔(46)由所述针(36)的前端部分打开和阻断;
通向控制室(33)以将高压燃料供应到控制室(33)中的燃料流入通路(31);
在燃料排出口(51)处通向控制室(33)以将高压燃料从控制室(33)中排出的燃料排出通路(32),所述燃料排出口(51)靠近指令活塞(35)的最上部位置,在该位置处指令活塞(35)使得控制室(33)的容积最小;以及
用于打开和阻断燃料排出通路(32)的电动阀(34)。
2.如权利要求1所述的喷射器(3),其特征在于,与沿指令活塞(35)的轴向上的最上部位置相对的控制室(33)的底部相比,燃料排出口(51)被设置得更靠近于最上部位置。
3.如权利要求1所述的喷射器(3),其特征在于:
所述壳体(38、40)包括壳体主体(38)和固定于壳体主体(38)上的板(40),所述板(40)具有用作控制室(33)的凹陷部分(40a);以及
燃料排出口(51)被设置在凹陷部分(40a)的圆周面上。
4.如权利要求2所述的喷射器(3),其特征在于:
所述壳体(38、40)包括壳体主体(38)和固定于壳体主体(38)上的板(40),所述板(40)具有用作控制室(33)的凹陷部分(40a);以及
燃料排出口(51)被设置在凹陷部分(40a)的圆周面上。
5.如权利要求1到4中任意一项所述的喷射器(3),其特征在于,所述燃料流入通路(31)在燃料流入口(52)处通向控制室(33),所述燃料流入口(52)比燃料排出口(51)更远离所述最上部位置。
6.如权利要求5所述的喷射器(3),其特征在于,与所述最上部位置相比,燃料流入口(52)被设置得更靠近于与沿指令活塞(35)的轴向的所述最上部位置相对的控制室(33)的底部。
7.如权利要求5所述的喷射器(3),其特征在于:
所述壳体(38、40)包括壳体主体(38)和固定于壳体主体(38)上的板(40),所述板(40)具有用作控制室(33)的凹陷部分(40a);以及
燃料流入口(52)被设置在凹陷部分(40a)的圆周面上。
8.如权利要求6所述的喷射器(3),其特征在于:
所述壳体(38、40)包括壳体主体(38)和固定于壳体主体(38)上的板(40),所述板(40)具有用作控制室(33)的凹陷部分(40a);以及
燃料流入口(52)被设置在凹陷部分(40a)的圆周面上。
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