JP2008533347A - 改良された噴霧生成部を有する燃料噴射システムおよび燃料噴射器 - Google Patents

Abstract

本発明は、燃焼機関のための燃料噴射システムに関連している。当該システムは、燃料源と、噴射器と、加圧された燃料ストロークを前記噴射器に搬送するための手段と、を備え、前記噴射器が、近くの隣接した位置で、異なる噴出パラメータを有する少なくとも二つの燃料噴出を生成するよう配置されるとともに、当該噴出が微細な噴霧を生成するようにその間の表面界面に沿って互いに相互作用するような方向を有している。噴出分断時間は短くなり、水滴の大きさはかなり小さくなる。

Description

本発明は、燃料噴射システムと、このようなシステムのための噴射構造に、概ね関連している。

自動車産業において、エンジン熱効率、乗物重量、摩擦およびポンピング、ペナルティ、空気力学、アイドリングだけでなくブレーキ／タイヤおよびギアボックスロス、潤滑性、ターボチェンジ、並びに、他の技術的変化のような、乗物効率を改良するための様々な手段や進行中の研究がある。

しかしながら、最も効率的なアプローチは、今日においても、射出、燃焼および処理後の工程の改良に関連している。燃焼工程の熱効率の改良は、直接的かつ比較的、燃料効率および排気物質に対して衝撃を与える。エンジンシリンダ内の内部燃焼工程は、図１に示されているような複数の重ねた現象によって、衝撃を受ける。これらの現象の全ては、三次元的で、時間依存し、エンジン操作の広い範囲で、受動的または積極的にコントロールされた過電流多数層反応流れと関連している。ディーゼル不均一な噴霧およびそれに続く拡散後の燃焼は、主に、現在では数百マイクロ秒に近いとても短い時間の割合内における燃料排出速度のタイミングおよび形状によってコントロールされる。

それゆえ、エンジン効率を改良する重大かつ実現可能な解決法は、（変化可能なバルブ列の実施に加えて）燃料噴射装置の改善された性能に直接関連している、ということが認識されている。

図２で示すように、高熱効率で完全な燃焼で燃焼するための多数の既知のアプローチが知られている。人は、それらがエンジンパフォーマンスおよび排出にどのように衝撃を与えるかについて、実質的な経験に基づいたこれらのアプローチの各々をよく知っているかもしれない。例えば、ディーゼルエンジン設計において、（i）燃料噴射器の排出口をボール内で中心に位置づけ、かつ、当該ボールをピストン内で中心に位置づけること、（ii）必要な混合を行うために燃料噴射圧力と空気の動きを交換すること、（iii）ピークトルク限界を合わせるために十分な空気を提供すること、（iv）最高の燃料経済のために噴射のタイミングと圧縮比率を交換すること、および、（v）排出制約内で燃料経済を適正化すること、を標準としている。

しかしながら、全体のディーゼル燃焼工程は、まだ、とても複雑で、早く、過渡電流になっている。極端には異成分からなる空気燃料混合は、空気／燃料充填（典型的には４から２０）の観点で広い範囲で変化することができる。

ディーゼル燃焼が空気燃料混合動力学によってかなりコントロールされるので、このような動力学の改善はかなりエンジン効率を改善する。

より実質的な標準点から、短い分断時間で微細な噴霧を生成を支援するために、最も最近の取り組みは、噴射圧力を大幅に増加させることにある。このように、自動車のディーゼル噴射装置内で現在加えられている圧力レベルは、とても高い（典型的には、ディーゼル噴射に対して１３５０−２４００barであり、ガソリン直接噴射システムに対しては５０−１００barであり、ガソリンマニホルド噴射システムに対しては３−２０barである）。

これに関して、燃料噴出動力学は、圧力エネルギー移転に基づいた噴出運動エネルギーとノズルホール上の表面張力によって収容された毛管エネルギーとの間の比率によって特徴付けられることが分かっている。噴霧の発展は、燃料がノズルを出た直後に起こり、噴出速度の二乗に比例したウェーバー数Ｗｅが約４０よりも大きい場合にはコントロールされうる。

（１６００―２０００barの噴射圧力に相当する）１０^５から１０^６に達している現在のディーゼル噴射装置によれば、短い分断時間ｂｒｒ（典型的には１マイクロ秒くらい）内にある、直径において２５―４０μｍの良い水滴大きさ（飽和手段直径（Sauter mean diameter）ＳＭＤ）を生成することができる。

言い換えれば、燃料圧力を増加させることによって、噴出分断時間を短くし、噴霧水滴の大きさを小さくすることができる。

しかしながら、燃料圧力が増加することは、複数の欠点を有している。第一に、このように高い供給圧力を有する噴射機能は、極端に狭い排出管口部を有することを必要とし、従来の噴射器と比較して増加した数の管口部を有することを必要とする。このようにして、噴射器の製造コストが高くなる。

なお、噴射システムは、このような高圧のために搭載された効率的に使用されるポンプ冷却装置に適用されることが必要である。結局、このような増加した圧力を生成するために必要な過剰なエネルギーが多くなり、概ね二または三百ワットに達する。

噴射圧力が増加することによる、特に噴射先端材料の疲労とリターンライン内の燃料温度の増加による、維持問題もある。

燃料噴霧生成を改良するために燃料噴射器を改良する試験的な解決もある。

特に、Shojiなどによる米国特許出願公開公報2002/0000483 A1には、共通の源からの燃料流れがノズルで分離した同心の開口を通過して排出される燃料噴射器ノズルが開示されている。開口は、ノズルを出ると直ぐに噴出が衝突するように、わずかに異なる角度となっている。この衝突は、燃料噴出が衝突し迅速かつ均一に小さな粒子になるように考えられている。

しかしながら、衝突は、噴出排出口から比較的遠く（典型的には２０ｍｍより）離れて発生し、噴霧において比較的大きな（３０マイクロよりも大きな）燃料水滴を生成する。このため、このような既知の噴射システムは、噴射排出口にできるだけ近くでとても微細な燃料噴霧を生成することができない。

Crockerなどによる米国特許6,272,840 B1には、燃料が燃焼チャンバ内に同心リングを解して噴射されたガスチューブライン噴射器が開示されている。案内（pilot）燃料噴射リングおよび主要燃料噴射リングは、付加的同心噴射リングを介してチャンバ内に噴射された空気とともに混ざる。この噴射システムは、燃料と空気をより迅速に混合し、エンジンからのＮＯｘの排出を減少させる。

しかしながら、このような既知の噴射器は、一般的な噴射システム内に付加成分を必要とする、燃料噴霧を生成するための付加的に加圧された空気補助部を必要とする。また、このような噴射器は、チューブラインの安定した状態条件に適用され、内燃機関の操作の非安定モードには適用することができない。

最後に、Staerzlによる米国特許5,771,866には、二つの燃料導管が互いに同軸かつ同心に関連づけられた、低圧燃料噴射システムのためのノズルが開示されている。導管は共通の端部を有し、キャップの開口端部内に配置されている。燃料が第一導管を通過して流れるよう、大気圧にある空気が第二導管内に引き込まれる。液体燃料および空気がキャップ内の共通の導管端部に達するよう、液体燃料は微細噴霧またはミストにされる。低いエンジン速度であっても微細ミストを提供することにより、燃料噴射ノズルは空気コンプレッサを必要としない。

このような空気補助燃料噴射器は、９０年代半ばおよび後半に、内燃機関に対して、特にディーゼルタイプの応用に対して、必要とされる、水滴の大きさおよび分断時間において何ら改良されることなく集中的に研究された。

本発明は、燃焼チャンバ内に発射および分配される高品質の燃料噴霧に関連した独特のアプローチによって、燃料効率および排気排出を改善することを目的としている。このような噴霧は、理想的な、均一に満たされた圧縮燃焼エンジン（ＨＣＣΙ）を導入し、噴霧を生成するためのあらゆる加圧された空気補助部のようなものを必要としない先行技術と比較して低い噴射圧力を必要とする。

この目的のために、本発明は、第一の態様により、燃焼機関のための燃料噴射システムにおいて、燃料源と、噴射器と、加圧された燃料ストロークを前記噴射器に搬送するための手段と、を備え、前記噴射器が、近くの隣接した位置で、異なる噴出パラメータを有する少なくとも二つの燃料噴出を生成するよう配置されるとともに、当該噴出が微細な噴霧を生成するようにその間の表面界面に沿って互いに相互作用するような方向を有している、燃料噴射システム、を提供する。

第二の態様により、燃焼機関の燃料噴射システムのための燃料噴射器は、当該噴射器が、近くの隣接した位置で、異なる噴出パラメータを有する少なくとも二つの燃料噴出を生成するよう配置されるとともに、当該噴出が微細な噴霧を生成するようにその間の表面界面に沿って互いに相互作用するような方向を有している。

本発明の燃料噴射システムの好ましいが限定されない態様は、以下のようなものである。
前記噴出パラメータは、噴出速度である。
前記噴出は、互いに略平行に延びた方向を有している。
前記噴出は同心である。
前記噴射器は、二つ以上の燃料噴出を生成するように配置されている。
前記噴射器は、一つの噴射排出口を含み、当該噴射排出口から前記噴出が運ばれる。
前記排出口は円筒形状である。
前記噴射器は、一つの燃料注入口を含む。
噴射器は、噴射器注入口に連結された内方円筒チャネルと、当該チャネルと略同軸な第一管口部および前記第一管口部の回りであって傾斜した方向で延在した一連の第二管口部と、前記チャネルおよび前記第一管口部と略同軸な排出通路と、前記第二管口部によって運ばれた燃料噴出を前記排出通路の壁に沿って案内するためのガイドチャンバと、含んでいる。
前記ガイドチャンバは、円錐台形外壁を有する。
前記円錐台形外壁は、前記排出通路に連続して連結している。
前記ガイドチャンバは、前記円錐台形外壁より大きな頂角の円錐台形内壁を有し、前記第二管口部は、当該円錐台形内壁内で開口している。

本発明のおかげで、とても短い主要分断時間（典型的には２０〜３０マイクロ秒）が燃料空気混合を素早く始めるために得られ、噴霧が蒸発を素早く完成させ、燃焼を素早く始めるためのマイクロスケールの水滴の大きさから作られるよう、燃料噴霧が生成され、このことは、全ての種類のガソリンおよびディーゼル噴射に対して有益である。さらに完全な燃焼工程が得られる。

なお、上述の結果は、先行技術の噴射システムと比較して、かなり低い燃料圧とともに得られる。

本発明は、添付された図面を参照として、後述される、好ましい実施の形態の詳細な記載によってより良く理解される。

発明を実施するための形態

本発明の噴射原理は、以下の噴出−噴霧の物理的特性に関連した噴霧分断現象に基づいている。
（i）噴射器ノズルによって送られる高速噴出が、噴射ノズルの下流側において定義された波長λで、噴出表面に安定して形成された波の伝搬を引き起こす。
（ii）これらの表面波は、衝撃波、粘性摩擦、熱または音響衝撃のような様々な種類の物理的作用による軸外に傾斜した力（励起）にかなり敏感である。
（iii）噴霧の分断時間および水滴の大きさは、表面影響を受ける副層の厚みと、噴出直径との間の比率から強く依存している。

本発明によれば、分断励起は、中心噴出ＣＪおよび周縁噴出ＰＪとして示されている、二つの略平行な液体噴出の間の直接の干渉に基づいている。

この二つの噴出分断機構は、概ね図３に示されている。ＣＪおよびＰＪ噴出は、噴出速度、および／または、噴出圧力、および／または、噴出流量のような異なるパラメータ（最も典型的には異なる速度）を有しており、すなわち、異なる表面波長を有している。粘性摩擦のため、ＰＪ中心流れは、ＣＪ流れが直ぐにかつコントロール可能に分断するよう、強い表面摂動（励起力）として、ＣＪ流れ中心噴出に衝突する。分断時間および水滴の大きさのコントロール可能性は、二つの要素、すなわち、（i）ＣＪ流れの波長とＰＪ流れの波長との間の比率、および、（ii）ＰＪ副層厚み（誘発された衝突エネルギーの要素）とＣＪ直径との間の比率、に関連している。

事実上、図３Ａにより明確に示されているように、本発明の二つの噴出器の好ましい形態は、第一噴出すなわち中心噴出が円筒形状からなり、第二噴出すなわち周縁噴出が環状からなる、二つの同心で略円筒形状の噴出を生成することができる。この概略図において、二つの噴出が一つのノズルから生成されうるように見えるけれども、両噴出は中心ノズルＣＮおよび周縁ノズルＰＮの各々によって生成され、他の噴出配置も可能である。

図３および図３Ａの概略図において、ＣＪ噴出は、第一噴出速度を有する高圧下にある中心ノズルから生成される。周縁ノズルの増加した横断面積のため、ＰＪ流れの圧力は減少し、低い周縁噴出速度になっている。

このように、ＣＪ噴出およびＰＪ噴出は、二つの噴出の表面波が異なる波長を有する動的粘性境界で干渉している。この干渉は剪断圧力衝撃内にあり、当該剪断圧力衝撃は、この副層内で同時に誘発される両噴出の運動エネルギーによるＰＪ流れに対する干渉動的副層内のＣＪ流れの励起を形成する。ＣＪ−ＰＪ流れ軸に沿った最も強い励起スポットは、中心噴出の波長と周縁噴出の波長との間の比率が整数（１、２、…、Ｎ）となる位置にある。最も高い運動エネルギーがＣＪ流れの励起に対して得ることができるので、最大効果は、この数字が低い値にあるときに付随してくる。

好ましくは、加圧された燃料の一つの源が従来技術の噴出器で要求されていたので、一つのトリガー要素（ソレノイドバルブのようなもの）が両噴出を駆動するのには十分である。しかしながら、噴霧が生成される方法のため、噴射器の他の部分および高油圧器も単純になる。例えば、圧力源要求に関して、かなり低い圧力が高い品質の噴霧を生成するために必要である。

本発明による噴射構造の実質的な例が図４に示されている。

当該噴射構造は、第一根部１と、第二端部２とを含んでいる。

根部は、従来のディーゼル噴射本体に密着するよう設計されており、存在するエンジン設計に完全に機械的に互換性を有することを確実にしている。噴射構造は、ベース１０を含んでおり、当該ベース１０によって、噴射器は、それ自体はよく知られているあらゆる固定手段によって所定の位置に固定されている。

根部は、さらに、ベース部に接続され、端部が円錐台先端部１３となっている、環状の円筒形状部１１を含んでいる。

円筒形状部は、内部円筒形状通路１２を有しており、当該内部円筒形状通路１２の大きさは、破線で輪郭が示されているように、従来のディーゼルまたはガソリン直接噴射器内で用いることができた従来の噴射器ニードルのようになっている。

それ自体はよく知られているように、このニードルは噴射事象を液圧によって駆動し、自由端に位置する共通の燃料搬送チャネルを通過する排出燃料（ストローク）の必要な量を送る。

根部１の先端部１３は、内部円錐面１３３と、同じ頂角を有する外部円錐台面１３４とを有している。この先端部において管口部１３１が形成され、当該管口部１３１を通過して中心燃料噴出ＣＰが生成されうる。この管口部は、好ましくは、一般的な噴射器軸と同じ軸Ｘ−Ｘを有しており、内部円錐面の頂部と前記先端部１３が端部となっている外部平坦面１３５との間で延在している。先端部の円錐面において、周縁噴出を生成するための傾いた複数の管口部１３２が形成されている。好ましくは、これらの管口部１３２は、先端の円錐壁の回りに一定の間隔で分配されている。好ましい実施の形態において、四つの傾いた管口部が設けられている。

噴射第二部２は、略円筒形状の本体であり、図４の頂点から底面までにおいて、円筒形主要部２０、底方向に向かって直径が小さくなる円錐台部２１、噴射排出口２２および排出凹部２３を有する内部空洞を有している。

主要部の軸方向の長さは、第一部の円筒形状部１１の軸方向の長さと概ね等しくなっている。

部分２１の頂角は、第一部の円錐台面１３４の頂角よりも小さくなっており、図示されているように、その間に、管口部１３２とともに噴射排出部２２と協同して、回転の複雑な形状の円錐ギャップスペース３を画定する。

この空間は、管口部１３２によって運ばれた噴出を周縁噴出部まで案内するガイドとして機能する。中心噴出は、軸方向の管口部１３１によって生成され、同軸方向において、排出部２２内へと直接入り込む。

この構成によって、異なる噴出速度を有する中心噴出および周縁噴出が生成され、上述したように、短い分断時間が短くなり、かつ、水滴の大きさが小さくなる。

第一部１および第二部２は、好ましくは、圧入技術またはサーモフィット技術によって、一緒に組み立てられることが好ましい。噴射器の円錐領域のパラメータは、分化した流量および噴射操作実施に必要な両噴出のための圧力に関連した設計パラメータを、適度に正確に合わせるよう、機械加工されなければならない。

上述の設計の様々な幾何学的パラメータは、手に入る燃料圧力、燃料ストローク量、および、中心噴出と周縁噴出の設計された速度、並びに、燃焼チャンバの噴霧先端内部の設計された貫通長さの機能として、主に選択される。

技術車のディーゼルエンジンの状態に対する典型的な範囲は以下のようになっている。
第一外部円錐角は、噴射器の軸Ｘ−Ｘに対して３０−５０°になっている。
第二内部円錐角は、第一外部円錐角より５−１５°小さくなっている。
円錐軸の長さは、第一円錐については２−１２ｍｍになっており、第二円錐については２．５−１５ｍｍになっている。
管口直径は、中心噴出については２２０−３８０ミクロンになっており、周縁噴出については６００−１５００ミクロンになっている。
傾いた管口部の数は２−６である。
傾いた管口部の角度は、円錐面に対して垂直から±２０°までになっている。
排出口の直径は、４−１２ｍｍになっている。
中心噴出の速度または質量流量と周縁噴出の速度または質量流量との間の比率は、０．１から０．４になっている。
噴出長さと噴出外部直径との間の比率Ｌ／ｄは、中心噴出については３．５−６．５となっており、周縁噴出については２．０−５．０となっている。

噴出長さとは、排出出口から分断位置までの噴出の自由長を意味している。

もちろん、これらの範囲は、限定として構成されるのではなく、これらの範囲よりかなり前の値が小さなまたは大きな噴射器に対して用いられうる。

なお、当業者は、上述した噴射器構造の多くの変形を考え出すことができる。

まず第一に、上記では二つの噴出システムが記載されていたが、少なくとも二つが互いに略平行になり、異なる噴出速度のように異なる噴出パラメータを有している、三つ以上の噴出は本発明の一部である。

なお、噴出の横断面形状は、記載された形状と異なっていてもよい。より具体的には、平面噴流、同じ半径の湾曲を有する湾曲噴流のような、互いに重要な表面領域に沿って接触した異なる速度のあらゆる噴出も、本発明の一部である。

本発明は、たった一つの燃料液体が手に入るボード（available board）である従来の燃料噴射システムに特に適している。

本発明の利点は、以下の点に要約することができる。
ミクロ範囲の水滴大きさを有する微細噴霧が迅速に生成される（典型的には、１０００分の１秒以下のというわずかな時間）。
噴射設計および組立道具は、とても単純で費用がかからず、大量生産に適することができる。
２０００barより大きな圧力を必要とする現在採用されている燃料噴射装置と比較して、（典型的には、燃料ストロークのときにシリンダ内にあるピストンに誘発された圧力より１０−５０barだけ上の）かなり低い噴射圧力レベルが必要となる。このことは、（ポンプ、材料、組立ユニットなどの）ハードウェアのコスト、および、微細燃料噴霧を生成するためのエネルギー損失を減らす。

本発明の二つの噴出噴射器の最も有益な応用は、内燃機関に用いられる燃料噴射システムに関連しているけれども、熱効率、排気、ノイズ放出が噴射外形によって直接コントロールされる、ロケットや噴出推進力のような他の燃焼工程に関連しても用いられうる。

現在のピストン駆動の燃焼機関内における、様々な概念の燃料噴射および燃焼を示した図。 燃料噴射および燃焼に影響を与える複数のパラメータを示す図。 本発明による燃料噴出相互作用の原理を示した概略図。 図３に示されたＡ−Ａにおける横断面図。 本発明の好ましい実施の形態による噴射器の軸方向の断面図。

Claims (24)

1. 燃焼機関のための燃料噴射システムにおいて、
   燃料源と、
   噴射器と、
   加圧された燃料ストロークを前記噴射器に搬送するための手段と、を備え、
   前記噴射器は、近くの隣接した位置で、異なる噴出パラメータを有する少なくとも二つの燃料噴出を生成するよう配置されるとともに、当該噴出が微細な噴霧を生成するようにその間の表面界面に沿って互いに相互作用するような方向を有している、燃料噴射システム。
2. 前記噴出パラメータは、噴出速度である、請求項１による燃料噴射システム。
3. 前記噴出は、互いに略平行に延びた方向を有している、請求項１または２による燃料噴射システム。
4. 前記噴出は同心である、請求項１乃至３のいずれか１項による燃料噴射システム。
5. 前記噴射器は、二つ以上の燃料噴出を生成するように配置されている、請求項１乃至４のいずれか１項による燃料噴射システム。
6. 前記噴射器は、一つの噴射排出口を含み、当該噴射排出口から前記噴出が運ばれる、請求項１乃至５のいずれか１項による燃料噴射システム。
7. 前記排出口は円筒形状である、請求項６による燃料噴射システム。
8. 前記噴射器は、一つの燃料注入口を含む、請求項６または７のいずれか１項による燃料噴射システム。
9. 噴射器は、噴射器注入口に連結された内方円筒チャネルと、当該チャネルと略同軸な第一管口部および前記第一管口部の回りであって傾斜した方向で延在した一連の第二管口部と、前記チャネルおよび前記第一管口部と略同軸な排出通路と、前記第二管口部によって運ばれた燃料噴出を前記排出通路の壁に沿って案内するためのガイドチャンバと、含んでいる、請求項６乃至８のいずれか１項による燃料噴射システム。
10. 前記ガイドチャンバは、円錐台形（frustoconical）外壁を有する、請求項９による燃料噴射システム。
11. 前記円錐台形外壁は、前記排出通路に連続して連結している、請求項１０による燃料噴射システム。
12. 前記ガイドチャンバは、前記円錐台形外壁より大きな頂角の円錐台形内壁を有し、
    前記第二管口部は、当該円錐台形内壁内で開口している、請求項９乃至１１のいずれか１項による燃料噴射システム。
13. 燃焼機関の燃料噴射システムのための燃料噴射器において、
    当該噴射器は、近くの隣接した位置で、異なる噴出パラメータを有する少なくとも二つの燃料噴出を生成するよう配置されるとともに、当該噴出が微細な噴霧を生成するようにその間の表面界面に沿って互いに相互作用するような方向を有している、燃料噴射器。
14. 前記噴出パラメータは、噴出速度である、請求項１３による燃料噴射器。
15. 前記噴出は、互いに略平行に延びた方向を有している、請求項１３または１４による燃料噴射器。
16. 前記噴出は同心である、請求項１３乃至１５のいずれか１項による燃料噴射器。
17. 二つ以上の燃料噴出を生成するように配置されている、請求項１３乃至１６のいずれか１項による燃料噴射器。
18. 一つの噴射排出口を含み、当該噴射排出口から前記噴出が運ばれる、請求項１３乃至１７のいずれか１項による燃料噴射器。
19. 前記排出口は円筒形状である、請求項１８による燃料噴射器。
20. 一つの燃料注入口を含む、請求項１８または１９のいずれか１項による燃料噴射器。
21. 噴射器注入口に連結された内方円筒チャネルと、当該チャネルと略同軸な第一管口部および前記第一管口部の回りであって傾斜した方向で延在した一連の第二管口部と、前記チャネルおよび前記第一管口部と略同軸な排出通路と、前記第二管口部によって運ばれた燃料噴出を前記排出通路の壁に沿って案内するためのガイドチャンバと、含んでいる、請求項１８乃至２０のいずれか１項による燃料噴射器。
22. 前記ガイドチャンバは、円錐台形外壁を有する、請求項２１による燃料噴射器。
23. 前記円錐台形外壁は、前記排出通路に連続して連結している、請求項２２による燃料噴射器。
24. 前記ガイドチャンバは、前記円錐台形外壁より大きな頂角の円錐台形内壁を有し、
    前記第二管口部は、当該円錐台形内壁内で開口している、請求項２１乃至２３のいずれか１項による燃料噴射器。

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