JP2006507439A - 燃料噴射器 - Google Patents

Abstract

本発明は、直接噴射燃焼機関用の燃料噴射器に関するもので、該燃料噴射器は噴射ノズル（２）を具備し、その周縁上には多数の噴射口（５）が互いに隣接して配置され、それによって球形ジェットベルト（６）を形成し、それぞれの噴射口の個々の燃料ジェット（９）からほぼ球形の燃料雲（８）が形成できる。本発明によると、燃料雲の不変の燃焼を保証するため、噴射ノズル（２）の表面（３）上の球形ジェットベルト（６）によって区切られた領域内に、多数の噴射口（５）が設けられる。

Description

本発明は、請求項１の前文に記載された汎用タイプの直接噴射式火花点火内燃機関用の燃料噴射器に関する。

火花点火燃焼機関では、可燃性混合気は、燃焼空間内の、少なくとも点火プラグ付近で、点火点に供給される。このような状況においては、点火プラグ付近に燃料雲を噴射すると、低い負荷範囲では、混合気雲は点火プラグ付近でのみ形成され、該燃焼機関はこれによって低燃費で運転されることが知られている。点火プラグ付近での燃料雲の制御された形成を目的とした制御された燃料噴射のための、複数の噴射口を有する噴射ノズルを備えた噴射器が知られており、個々の燃料ジェットは各々の噴射口を通って燃焼空間内へ進入する。特許文献１は、燃料の噴射用の多孔ノズルについて開示しており、このノズルにおいては、噴射口の一部は、それらによって生成された燃料ジェットが燃焼空間内の空気の渦の中へ向けられるように構成されており、上記空気の渦は噴射ジェットの燃料を蒸発させ、それを可能な最短時間内に点火プラグへと運ぶ。

多孔噴射器を備えた火花点火機関用の燃料噴射システムは、特許文献２に記載されており、噴射口は、互いに整列して、噴射ノズルの周縁上に配置され、これによって混合気雲の形成の結果ジェット制御された燃焼方法が実施される。噴射ノズルの周縁上の噴射口は、この場合円錐ジェットを形成し、それぞれの噴射口の個々の燃料ジェットは円錐形の閉じたあるいは凝集した燃料雲を形成する。既知の燃料噴射器では、円錐ジェットベルトの噴射口は、２列に配置されてもよく、その結果として、円錐ジェットの外側表面領域の密度の改善が可能で、結果的に円錐ジェットのより大きい円錐角の形成も可能になる。

広く認められているように、円錐ジェットベルトを形成する噴射口の既知の配置を用いて、凝集した混合気雲を燃焼空間内に形成できる。目的は、内燃機関の可能な限りの低排気ガスエミッションおよび低燃費のため、可能な限り最適な混合気雲の燃焼作用を実現することである。改良された成果を、混合気雲の迅速な燃焼度を用いて実現できることは明らかである。しかし、円錐燃料噴射を伴う、混合気雲の迅速な燃焼は、既知の多孔噴射器を用いては不可能である。さらに、円錐ジェットベルトの個々の噴射口内に付着物（炭化）がある場合、円錐雲内で混合気が希薄すぎることによって、炎の進路が妨げられる恐れがある。既知の配置である噴射ノズルの周縁部を覆う２列の噴射口であっても、せいぜい円錐雲の外側表面領域で高燃料濃度層の厚みを増すことができる程度なので、この問題を解消できない。

独国特許発明第 ３９ ４３ ８１６ Ｃ２号明細書 独国特許出願公開第 １９８ ０４ ４６３ Ａ１号明細書

本発明が基づく目的は、燃料雲の燃焼が常に確保できるような汎用の噴射器を開発することである。

この目的は、本発明に従って、請求項１の特徴を用いて達成される。本発明によると、円錐ジェットベルトの噴射口によって区切られた噴射ノズルの表面領域内で、制御された方法で円錐混合気雲の内部へ燃料を噴射する別の噴射口を提供する対応策がある。これにより、全体として、ジェット円錐内におけるより均一な燃料分散をもたらす。この方法で、燃料雲内の希薄な混合気のゾーンの形成が防止され、均一に分散された燃料から形成される混合気雲のより迅速な燃焼が可能となる。

有利なことに、噴射ノズルの表面は球状の構成で、結果的に個々の噴射口は、それらの燃料ジェットを燃料円錐内の異なる領域内へ向けさせる。本発明の有利な構成では、少なくとも１つの中央噴射口が、噴射器の縦軸付近に設けられ、中央噴射口は好ましくは縦軸自体の上に位置する。燃料は、これによって、円錐ジェットベルトの噴射口では届かない円錐混合気雲の中央領域の中へ噴射される。そのため、全体として、ジェット円錐内の燃料分散の均一性が促進される。

別の方法として、噴射口を、球形噴射ノズルの噴射器の縦軸に対して平行な複数の平面に配置することが可能である。噴射円錐の空間の広い領域が、噴射ノズルの球形表面上の異なる平面において、個々の噴射口によって覆われる。均質な混合気分散はこの場合、異なる平面の噴射口の様々な断面寸法によって、個々の平面における噴射口の様々な噴射角によって、あるいはこれらの対策の組み合わせによって、促進できる。

特に有利なことに、噴射ノズルの周囲の空間に噴射口によって生成される燃料ジェットの可能な限り最適な分散を実現するため、噴射口は、噴射ノズルの表面全体にわたって均一に割り当てられる。これらの噴射口はこの場合、噴射ノズルの利用可能な球形表面上に、境界値の考察に従って、例えばカヌート（Ｃａｎｎｕｔｏ）による配列法に基づいて、割り当ててもよい。

混合気雲の可燃性および燃焼作用を改善するには、本発明によると、噴射器の意図された設置位置での噴射器に対する点火プラグの位置に対応する噴射ノズルの周縁領域において、この周縁領域に位置する少なくとも１つの噴射口を、噴射器の縦軸に対してより小さい噴射角を有する燃料ジェットが生成されるように、位置及び／又は開口部の幾何学的配置に関して他の噴射口とは異なって構成する対応策がある。このことは、円錐包絡面の燃料集密度に、制御された方法で隙間をもたらし、結果的に円錐雲内にノッチ形状のくぼみをもたらす。この方法で、高濃度の混合気は、噴射器のまたは噴射器によって生成された円錐ジェットの縦軸の回りに回転的に対称に用意することができ、と同時に、混合気の包絡面で形成されたノッチ付近に点火プラグが突き出している場合、点火プラグが燃料で湿るのを防ぐことができる。これによってジェット制御された燃焼方法が実施可能で、液体燃料で点火プラグが湿ることによって有害な付着物が点火プラグ上に形成され得ない。このようにして、不点火は防止され、さらに、高熱の衝撃による点火プラグへのストレスは軽減し、その結果点火プラグの耐用年数は増加する。

燃料ジェットによる円錐包絡面にノッチを生成するには、対応する周縁位置に、１つ以上の噴射口を、噴射器軸に近接して、噴射ノズルの周縁上の軸高さの等しい噴射口の列の実際位置とは異なるように配置する。ノッチの形成は、その噴射口を、噴射器の縦軸方向に近づけた噴射角によって、噴射ノズル上の軸高さの等しい隣接する噴射口とはジェット形状に関して異なるように構成することで実現してもよい。さらに、中へ点火プラグが突き出るためのノッチを混合気包絡面に形成するには、噴射ノズルの対応する周縁領域において少なくとも２つの隣接した噴射口の間の距離を広げてもよい。本発明による噴射ノズルの噴射口は、好ましくは、水侵食処理を用いて丸く仕上げられる。

本発明の例示的実施形態を、図面を参照して以下により詳細に説明する。

図１は、直接噴射式の火花点火内燃機関用の燃料噴射器１を示し、上記燃料噴射器は複数の噴射口５を備えた噴射ノズル２を有する。噴射のためには、ここには図示していないニードル弁が圧電効果によって噴射器１内部を移動し、噴射ノズル２内部に燃料の過剰圧力を形成し、この過剰圧力が噴射口５を通って燃焼空間へ燃料を圧入する。噴射圧力は、内燃機関の運転点次第で、この場合約２５０バールに達することがある。噴射ノズル２の表面３は、球の形状をとり、図示された例示的実施形態では、ほぼ半球の形状を占めている。噴射口５は球面噴射ノズル２の周縁に基本的に均一に配分され、個々の噴射口５の燃料ジェット９は共に円錐ジェット８を形成する。円錐ジェット８はこの場合、噴射器１の縦軸４に関して基本的に回転的に対称に生成され、結果として円錐燃料雲が燃焼空間内に形成される。ジェット制御燃焼方法によると、制御された方法で噴射された燃料を用いて、燃焼空間に別々に供給される燃焼空気を有する空間的に方向を決められた混合気雲が形成される。混合気雲はこの場合、燃焼空間に突き出した点火プラグの付近に制御された方法で形成され、この点火プラグは点火火花の形成をもとに混合気雲に火をつける。

噴射口５は、噴射ノズル２の表面３上に均一に配分され、噴射ノズル２周縁上に相互に並べられた噴射口５の一部は、円錐ジェットベルト６を形成し、またその燃料ジェット１８で円錐燃料ジェット８の外側表面領域を定める。環状円錐ジェットベルト６の内側には、別の噴射口５が設けられており、その燃料ジェット９は燃料円錐８の内側領域の中へ向けられる。このようにして、一方では、円錐ジェットベルト６の噴射口５によって凝集した円錐の包絡面が生成され、さらに円錐包絡面１８の内側領域には、別の噴射口５によって燃料が均一に充満し、結果として均質な燃料分散を備えた円錐ジェット８が生成される。燃料濃度が低いため可燃性が低い混合気雲内の空間領域は除外されるので、円錐ジェット８内の均質な燃料分散によって、点火プラグによる点火の後すぐに燃焼する混合気雲を形成することができる。燃料円錐の内側領域に充満させるため、少なくとも１つの噴射口が中央付近に設けられると都合がよい。

図示された例示的実施形態では、特に有利なことに、噴射器１の縦軸４上にある中央噴射口７が設けられている。燃料分散を可能な限り均一にするため、図示した例示的実施形態では、噴射口５は６、１０、１１、７のように、噴射器の縦軸４に対して平行な複数の平面上に配置され、噴射ノズル２の先端付近の先頭の平面は縦軸４上に中央噴射口７を有し、また半球状の噴射ノズル２の反対側に並んだ噴射口５は円錐ジェットベルト６を形成する。円錐ジェット８の外側表面領域１８を形成する噴射口５を備えた円錐ジェットベルト６は、さらに複数の噴射口５の平面から構成されてもよい。異なる平面の噴射口５は、この場合異なる噴射角を有してもよく、その場合、比較的大きい円錐角の場合であっても、円錐ジェットベルト６の噴射口５に対して、円錐ジェット８の安定した包絡面の覆いを生成することができ、さらに、他の噴射口５の噴射角の適切な選択によって、内側領域には燃料を均一に供給できる。

それぞれの開口部の噴射角による噴射口５の燃料ジェット９の方向付けに対する別の方法としてあるいはこれに加えて、均一な燃料分散は、個々の平面における噴射口５の断面寸法の適切な選択によって達成してもよい。噴射口５を水侵食処理によって仕上げることで、適切なジェット特性の実現が可能である。この場合、混合気形成における最適な結果とその結果としての燃料雲の燃焼作用は、直径０．１２５ｍｍ未満の噴射口５によって実現できる。

噴射ノズル２の球状表面３上における噴射口５の可能な限り均一な割り当てを実現するため、噴射口５は、噴射口５の意図する数次第で、カヌート（Ｃａｎｎｕｔｏ）の配列法に従った境界値の考察に基づいて決定してもよい。この場合、球形噴射ノズル２上の噴射口５の各々に対して複数の噴射方向が得られ、その結果として燃料円錐８は個々の開口部５から均一に燃料を供給される。

図２は、噴射口５の数に応じた様々な噴射方向の組み合わせの可能性を示している。４つの図示された例示的実施形態の各々において、いずれの場合も噴射ノズル２の球形部分がオイラー（Ｅｕｌｅｒ）の三角形の形で図示されており、互いに直角をなす座標軸ｘ、ｙ、ｚを有する座標系を用いて画定されている。噴射口５は、いずれの場合も、座標系に張られた平面に対していずれも平行に位置する球形表面の３つの小円１５を画定している。座標平面上へ投影される小円１５によって、いずれも噴射方向ξ、η、μに対応する投影直線１６が得られる。球面三角形上の噴射口５が対応する配置の場合のジェット方向の可能性は、図３の表で照合される。球面三角形上に配置された１つの噴射口５によって、図Ｓ２によると、４つの可能なジェット方向が得られる。３つの噴射口が配置される場合、図Ｓ４によると、１２の可能なジェット方向が利用できる。同様に、６つの噴射口５を配置すると、Ｓ６に示すように、いずれも３つの噴射口５が球面の共通の小円上に位置し、２４もの噴射方向がもたらされる。配置Ｓ４４は、球面部分上の６つの噴射口の配置の代替可能性を構成し、その場合、噴射口が多数の場合、２４のジェット方向が同様に得られ、図３に示す通り、他のジェット方向が利用できる。さらに、球面部分上に噴射口を配置する可能性および配置の組み合わせが、図３に提案されている。

図４に示す通り、噴射器１の噴射ノズル２は、基本的に回転的に対称な円錐ジェット８を生成し、この円錐ジェット８は、包絡面ジェット１８と円錐ジェット８内部の燃料ジェットとからなり、従って円錐の領域全体にわたる均一な燃料濃度を特徴とする。図５に示す通り、噴射器１の意図された設置位置で点火プラグ１３の相対的位置に対応する噴射ノズル２の周縁領域内において、点火プラグ１３を保護するため、この周縁領域に位置する少なくとも１つの噴射口は、この周縁領域において、縦軸４に対して回転的に対称に別途形成された円錐ジェット内にノッチ１２が生成されるように、噴射ノズル２上の軸高さの等しい他の噴射口とは異なって構成される。円錐ジェットの外側表面領域のノッチは、円錐ジェットのこの周辺領域内で、噴射ノズル２上の高さの等しい対応する噴射口の燃料ジェットよりも、噴射器１の縦軸４に対してさらに小さい角度を有する個別の噴射口の燃料ジェットを生成することで実現される。ノッチ１２内に突き出しつまり円錐ジェット８内に形成される点火プラグ１３の電極は、燃料ジェットの偏向のために湿ることはなく、そのため、付着物の形成と熱ストレス下の炭化は防止される。

ノッチ１２を形成するため、それぞれの周縁領域において、残りの周縁領域とは異なる構成が、噴射口５のリング内の円錐ジェットベルト６内で実施される。図６ａ、６ｂに示す通り、円錐ジェットリング６内に、噴射口１７が配置され、ノッチの形成用に設けられた周縁領域内で、図６ａに図示された実際位置Ａとは異なり、図６ｂのように、噴射器軸４の方向に移動される。円錐包絡面内にノッチ１２を形成するために噴射器の縦軸４に対してより小さい角度を有する燃料ジェットの異なる噴射口１７のジェット方向付けは、噴射口列のそれぞれの周縁領域内に位置する噴射口１７の前進した噴射角を用いて、代替的あるいは追加的に選択してもよい。別の代替案として、ノッチを形成する目的で、円錐ジェットベルト６の開口部の関係周縁領域にある隣接する噴射口間の距離を広げることも有効である。

円錐燃料噴射を伴う燃料噴射器の概略図。 噴射ノズル表面上の噴射口の割り当ての実施形態の図。 図２の噴射口の配置に対応する噴射方向を示す表。 噴射器の概略図。 点火プラグを保護する燃料噴射を伴う噴射器の概略図。 点火プラグの噴射口の配置図。 点火プラグの保護のための噴射口の配置図。

Claims (10)

1. 直接噴射内燃機関用の燃料噴射器であって、噴射ノズル（２）を備えており、その周縁上には複数の噴射口（５）が互いに整列して、それぞれの前記噴射口（５）からの個々の燃料ジェット（９）で基本的に円錐の燃料雲を形成するため、円錐ジェットベルト（６）を形成するよう配置され、別の噴射口（５）が、前記円錐ジェットベルト（６）で区切られた前記噴射ノズル（２）の表面（３）の領域内に設けられており、前記噴射器（１）の意図された設置位置での前記噴射器（１）に対する点火プラグ（１３）の位置に対応する前記噴射ノズル（２）の周縁領域内において、この周縁領域内に位置する少なくとも１つの噴射口（５）は、前記噴射器（１）の前記縦軸（４）に対して縮小した角度を有する燃料ジェット（９）が生成されるように、前記噴射ノズル（２）上の軸高さの等しい他の噴射口（５）とは、位置及び／又は開口部の幾何学的配置に関して異なって配置されることを特徴とする噴射器。
2. 前記少なくとも１つの異なる噴射口（１７）は、前記噴射ノズル（２）上の軸高さの等しい噴射口（５）の列における実際位置（Ａ）より、前記縦軸（４）に近く配置されることを特徴とする、請求項１に記載の噴射器。
3. 前記少なくとも１つの異なる噴射口（１７）は、前記噴射器の前記縦軸（４）の方向内に近づけた前記噴射角を伴って構成されることを特徴とする、請求項１あるいは２に記載の噴射器。
4. 前記噴射器（１）の意図された設置位置での前記噴射器に対する点火プラグ（１３）相対位置に対応する噴射ノズル（２）の周縁領域内において、少なくとも２つの隣接する噴射口（５）間の距離が広げられることを特徴とする、請求項１に記載の噴射器。
5. 前記噴射ノズル（２）の前記表面は球形に構成されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の噴射器。
6. 少なくとも１つの中央噴射口（７）は、前記噴射器（１）の縦軸（４）付近に設けられ、好ましくは１つの噴射口（７）は前記縦軸（４）上に位置することを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の噴射器。
7. 噴射口（５）は、前記縦軸（４）に対して平行な複数の平面（６、７、１０、１１）内に設けられることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の噴射器。
8. 異なる平面（６、７、１０、１１）の前記噴射口（５）は、異なる噴射角を有することを特徴とする、請求項７に記載の噴射器。
9. 異なる平面（６、７、１０、１１）の前記噴射口（５）は、異なる断面寸法を有することを特徴とする、請求項７あるいは８に記載の噴射器。
10. 前記噴射口（５）は、水侵食処理を用いて丸く仕上げられることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載の噴射器。
    

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