JP2010521605A - Fuel injector for internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料噴射器に、具体的には、ガソリンを内燃機関の燃焼室に直接噴射するための燃料噴射器に関する。 The present invention relates to a fuel injector, and more particularly to a fuel injector for directly injecting gasoline into a combustion chamber of an internal combustion engine.
図1に示している代表的な外向きに開いている燃料噴射器は、噴霧孔3を画定する先端部分2を有するバルブ本体と、先端部分2内を、伸張位置と引込位置の間で軸方向に動くために伸張しているピントル4即ちバルブステムであって、引込位置にあるときには噴霧孔3のバルブシート8と係合して噴霧孔を閉じることができるテーパー状部分6を備えたヘッド5を有している、ピントル4と、ピントル4をその引込位置に向けて付勢する戻しばね(図示せず)と、ソレノイド又は圧電スタックの様な作動手段(図示せず)であって、電力が供給されるとピントル4に作用してピントル4をその伸張位置に押す、作動手段と、を備えている。
The exemplary outwardly open fuel injector shown in FIG. 1 includes a valve body having a
特にソレノイド作動式噴射器の場合には、ピントル開口部は、通常はガイドの1つの上面である端部ストッパによって限定されている。
噴射器を通る燃料の流量は、ピントルヘッドとバルブシートの間の間隙に大きく依存しており、その間隙は、ピントルのストロークによって決まる。30μmから40μmの間のピントルのストロークと、200バールの燃料供給圧とを有する代表的な燃料噴射器では、ピントルストロークが1ミクロン変化する度に、流量は3%変動する。この様に、ピントルのストロークの変動に対する感度は高いので、要求される流量を実現するには、端部ストッパ、ピントル、及び関連付けられている構成要素の製造公差を非常に厳しくしなければならない。更に、時間経過と共に、ピントルのストロークが摩耗及び/又は示差熱膨張によって変動することは、燃料の流量の望ましくない変動を引き起こしかねない。
Particularly in the case of solenoid operated injectors, the pintle opening is usually limited by an end stop which is one upper surface of the guide.
The flow rate of fuel through the injector is highly dependent on the gap between the pintle head and the valve seat, which gap is determined by the pintle stroke. In a typical fuel injector having a pintle stroke between 30 μm and 40 μm and a fuel supply pressure of 200 bar, the flow rate varies by 3% for every 1 micron change in pintle stroke. As such, the sensitivity to variations in pintle stroke is high, and manufacturing tolerances for end stops, pintles, and associated components must be very tight to achieve the required flow rates. Further, over time, pintle strokes fluctuating due to wear and / or differential thermal expansion can cause undesirable fluctuations in fuel flow.
本発明によれば、燃料噴射器が提供されており、同燃料噴射器は、噴霧孔を有する噴射器本体と;噴射器本体内を、閉位置と開位置の間で軸方向に動くために伸張しているピントルであって、閉位置では、ピントルのヘッドが噴霧孔のバルブシートに係合して噴霧孔をシールし、開位置では、ピントルヘッドがバルブシートから間隔を空けて配置され、燃料が前記噴霧孔を通って流れることができるようになっており、作動手段が、ピントルをその開位置に向けて選択的に動かすために設けられている、ピントルと、を備えており;前記ピントルヘッドは、噴霧孔のバルブシートに押し付けて係合させることのできるテーパー状部分と、前記テーパー状部分の上流の円筒形部分とを備えており、環状チャネルが設けられていて、噴霧孔の上流に流路の第1部を画定しており、不連続部が、環状チャネルの下流で且つ噴霧孔の上流に設けられていて、ピントルのストロークが所定の限界を超えるとキャビテーションが生じて、一定断面の仮想チャネルが環状チャネルの下流に生成されることになり、それによって、前記噴霧孔を通って流れる燃料の流量は、ピントルがその開位置にあるときは、実質的にピントルのストロークに影響されないようになっている。 According to the present invention, a fuel injector is provided, the fuel injector having an atomizing hole; for moving axially within the injector body between a closed position and an open position. An extending pintle, in the closed position, the pintle head engages the valve seat of the spray hole to seal the spray hole, and in the open position, the pintle head is spaced from the valve seat; A pintle, wherein fuel is allowed to flow through the spray hole, and the actuating means is provided for selectively moving the pintle toward its open position; The pintle head includes a tapered portion that can be pressed and engaged with the valve seat of the spray hole, and a cylindrical portion that is upstream of the tapered portion, and is provided with an annular channel. Upstream A first portion of the flow path is defined, the discontinuity is provided downstream of the annular channel and upstream of the spray hole, and cavitation occurs when the stroke of the pintle exceeds a predetermined limit. A virtual channel is created downstream of the annular channel so that the flow rate of fuel flowing through the spray hole is substantially unaffected by the pintle stroke when the pintle is in its open position. It is like that.
望ましいことに、前記環状チャネルは、ピントルの実質的に円筒形の部分と、噴射器本体の同心部分との間に画定されている。
不連続部は、ピントルヘッドの、その円筒形部分とテーパー状部分の間に設けられていてもよい。代わりに、不連続部は、噴射器本体の、その同心部分とバルブシートの間に設けられていてもよい。不連続部は、面取り又は段付き面を備えていてもよいし、流れを環状チャネルの表面から引き離す働きをする何らかの他の適した構造を備えていてもよい。
Desirably, the annular channel is defined between a substantially cylindrical portion of the pintle and a concentric portion of the injector body.
The discontinuity may be provided between the cylindrical portion and the tapered portion of the pintle head. Alternatively, the discontinuity may be provided between the concentric part of the injector body and the valve seat. The discontinuity may comprise a chamfered or stepped surface, or may comprise any other suitable structure that serves to draw the flow away from the surface of the annular channel.
ピントルヘッドの円筒形部分とテーパー状部分の間に不連続部を設けることにより、テーパー状部分とバルブシートの間に一定断面の仮想チャネルが作り出され、実質的にピントルのストロークに影響されない一定の流速が提供されるので、ストロークの変動による流れの減速が防止され、環状チャネルの下流でエネルギー損失を回避することができる。ピントルヘッドのテーパー状部分の上流で燃料キャビテーションを発生させることによって、噴霧孔を通る最大流量が実質的にピントルの最大ストロークの影響を受けないようにすることができる。要求される最大流量は、不連続部、ピントルヘッドの間の円筒形部分とバルブ本体との間の空隙、及びストロークの相対寸法を適切に選択することによって、特定の用途に合わせて校正することができる。 By providing a discontinuity between the cylindrical portion and the tapered portion of the pintle head, a virtual channel with a constant cross section is created between the tapered portion and the valve seat, which is substantially unaffected by the pintle stroke. Since a flow rate is provided, flow deceleration due to stroke variation is prevented and energy loss can be avoided downstream of the annular channel. By generating fuel cavitation upstream of the tapered portion of the pintle head, the maximum flow rate through the spray holes can be substantially unaffected by the maximum pintle stroke. The maximum required flow rate should be calibrated for a particular application by appropriate selection of discontinuities, the gap between the cylindrical part between the pintle head and the valve body, and the relative dimensions of the stroke. Can do.
燃料は、ピントルヘッドの円筒形部分とバルブ本体の間の流路の第1部に送られ、そこで加速される。液体燃料の流れは、不連続部でバルブ本体から離れ、低圧の領域を作り出し、そこで燃料がキャビテーションを起こす(即ち、局所圧力が燃料の蒸気圧より下がるので、液体燃料が蒸気になる)。キャビテーションは、ピントルのストロークで左右される流れ面積内に発生するので、キャビテーションゾーンは自己調節性があり、ピントルのストロークが増すと大きくなり、一定の液体燃料の有効流れ面積を維持するので、静圧は回復されず、燃料の流れは減速しない。 Fuel is sent to a first portion of the flow path between the cylindrical portion of the pintle head and the valve body where it is accelerated. The liquid fuel flow leaves the valve body at a discontinuity, creating a low pressure region where the fuel cavitates (ie, the liquid fuel becomes vapor because the local pressure is below the vapor pressure of the fuel). Since cavitation occurs within the flow area that is affected by the pintle stroke, the cavitation zone is self-adjusting and becomes larger as the pintle stroke increases and maintains a constant effective flow area for liquid fuel. Pressure is not restored and fuel flow does not slow down.
対照的に、テーパー状シール部分の上流に円筒形の計量領域を有する代表的な噴射器ノズルでは、ピントルのストロークが増えるにつれてシール帯域の流れ面積が増大するので、流速が落ちて、エネルギーが損なわれ、噴霧化に影響が出る。本発明では、自己調節式キャビテーション気泡を円筒形部分の下流に作り出すことで、一定断面の仮想チャネルを作り、燃料流れの減速を回避して、その様なエネルギーの損失を回避する。 In contrast, in a typical injector nozzle having a cylindrical metering region upstream of the tapered seal portion, the flow area of the seal zone increases as the pintle stroke increases, thus reducing the flow rate and losing energy. This affects the atomization. In the present invention, a self-regulating cavitation bubble is created downstream of the cylindrical portion to create a virtual channel of constant cross section, avoiding fuel flow deceleration and avoiding such energy loss.
本発明は、更に、燃料噴射器を製造する方法を提供しており、前記燃料噴射器は、噴霧孔を有する噴射器本体と;噴射器本体内を、閉位置と開位置の間で軸方向に動くために伸張しているピントルであって、閉位置では、ピントルのヘッドが噴霧孔のバルブシートに係合して噴霧孔をシールし、開位置では、ピントルヘッドがバルブシートから間隔を空けて配置され、燃料が前記噴霧孔を通って流れることができるようになっており、前記ピントルヘッドは、噴霧孔のバルブシートに押し付けて係合させることのできるテーパー状部分と、前記テーパー状部分の上流の円筒形部分とを備えている、ピントルと、を備えており、前記方法は、噴霧孔の上流に流路の第1部を画定する環状チャネルを設ける段階と、環状チャネルの下流で且つ噴霧孔の上流に不連続部を設けて、ピントルのストロークが所定の限界を超えるとキャビテーションが生じて、一定断面の仮想チャネルが環状チャネルの下流に生成されるようにし、それによって、前記噴霧孔を通って流れる燃料の流量が、ピントルがその開位置にあるときは、実質的にピントルのストロークに影響されないようにする、不連続部を設ける段階と、で構成されている。 The present invention further provides a method of manufacturing a fuel injector, the fuel injector including an injector body having spray holes; and axially within the injector body between a closed position and an open position. A pintle that is extended to move in the closed position, in the closed position the pintle head engages the valve seat in the spray hole to seal the spray hole and in the open position the pintle head is spaced from the valve seat. The pintle head can be pressed against and engaged with the valve seat of the spray hole, and the tapered part. A pintle comprising an upstream cylindrical portion, the method comprising providing an annular channel defining a first portion of the flow path upstream of the spray hole; and downstream of the annular channel And spray A discontinuity is provided upstream of the pintle so that cavitation occurs when the pintle stroke exceeds a predetermined limit so that a virtual channel of constant cross-section is created downstream of the annular channel, thereby passing through the spray hole. A discontinuous portion is provided so that the flow rate of the flowing fuel is substantially unaffected by the pintle stroke when the pintle is in its open position.
好都合なことに、環状チャネル、不連続部、及びピントルが完全開位置に在るときのバルブシートとピントルヘッドのテーパー状部分の間の間隙の相対寸法は、前記環状チャネルの下流に前記キャビテーションを生じさせるために、噴射される燃料の1つ又はそれ以上の物理的特性の関数として選択される。前記燃料の1つ又はそれ以上の物理的特性には、燃料の蒸気圧、密度、及び燃料粘度の内の1つ又はそれ以上が含まれる。 Conveniently, the relative dimensions of the annular channel, the discontinuity, and the gap between the valve seat and the tapered portion of the pintle head when the pintle is in the fully open position causes the cavitation downstream of the annular channel. To occur, it is selected as a function of one or more physical characteristics of the injected fuel. One or more physical properties of the fuel include one or more of fuel vapor pressure, density, and fuel viscosity.
本発明の或る態様を、1つの例として、添付図面を参照しながら説明する。
燃料噴射器ノズルは、2つの機能、即ち、
1−燃焼室に正しい量の燃料を送り込むこと(計量)、及び
2−燃焼に適した噴霧を作ること、を有している。
Certain aspects of the invention will now be described, by way of example, with reference to the accompanying drawings in which:
The fuel injector nozzle has two functions:
1 to feed the correct amount of fuel into the combustion chamber (metering), and 2 to create a spray suitable for combustion.
既知の噴射器では、静的流量(即ち、噴射器が完全に開いている場合の流量)の噴射器ストロークに対する依存性は、非常に高い。
既知の燃料噴射器では、流量の変動は、ストローク1μm当たり1g/s(公称値3.3%)である。信頼性のある作動を保証し、製造許容値、熱影響及びバルブの摩耗に起因する最大ピントルストロークの変動によって生じる燃料の流量の過剰な変動を回避するためには、噴射器の仕様は、バルブリフト1μm当たり2%以下の流量変動を必要とする。現在のノズル設計(図1)は、その様な要件を満たしておらず、計量流れ面積は、噴射器のストロークに直接連動しており、その変動は、ストローク変動1μm当たり3.4%である。
With known injectors, the dependence of the static flow rate (i.e. the flow rate when the injector is fully open) on the injector stroke is very high.
In known fuel injectors, the flow rate variation is 1 g / s (nominal value 3.3%) per 1 μm stroke. To ensure reliable operation and avoid excessive fuel flow variations caused by manufacturing tolerances, thermal effects and maximum pintle stroke variations due to valve wear, the injector specifications A flow rate variation of 2% or less per 1 μm lift is required. The current nozzle design (FIG. 1) does not meet such requirements, the metering flow area is directly linked to the injector stroke, and the variation is 3.4% per 1 μm stroke variation. .
本発明は、ピントルヘッドのテーパー状部分の上流にキャビテーションを発生させ、ピントルヘッドとバルブシートの間に一定断面の仮想流れチャネルを作り出して、噴射器ノズルを通る燃料の流量が変化するのを防止することにより、計量精度を改良し、良好な噴霧特性を維持するという目的を実現する。 The present invention generates cavitation upstream of the tapered portion of the pintle head, creating a constant flow virtual flow channel between the pintle head and the valve seat to prevent fuel flow through the injector nozzle from changing By doing so, the objective of improving weighing accuracy and maintaining good spray characteristics is realized.
図2に示すように、本燃料噴射器は、噴霧孔12を遠位端に有する先端部分10を含む噴射器本体を備えている。ピントル14は、先端部分10内を伸張しており、そのヘッド16にはテーパー状のシール部分18が設けられており、シール部分を、噴霧孔12を取り囲む、対応するテーパー状バルブシート20と係合させると、噴霧孔12を閉じることができるようになっている。
As shown in FIG. 2, the fuel injector includes an injector body including a
ピントル14は、先端部分10内で、ヘッド16のテーパー状シール部分18の領域がバルブシート20と係合して噴霧孔12を閉じる引込位置と、ヘッド16のテーパー状シール部分18がバルブシート20から間隔を空けて配置されている伸張位置との間を軸方向に動くことができるようになっている。ピントル14をその引込位置に付勢するために、一般には戻りバネが設けられる。
The
一般には、管状スリーブ又はピントルガイドの上端部によって画定される端部ストッパ(図示せず)は、ピントル14のカラーと協働して、ピントルの伸張を制限し、ピントルのストロークを画定する。
In general, an end stop (not shown) defined by the upper end of the tubular sleeve or pintle guide cooperates with the collar of the
電磁コイルと可動性アーマチュアを有するソレノイドアクチュエーター(図示せず)を、ピントル14をその伸張位置へと選択的に押しやるために、設けてもよい。
ピントル14のヘッド16のテーパー状シール部分18の上流には、円筒形部分22が設けられており、この部分は、先端部分10の同心の内壁領域24と協働して、ピントル14が完全開位置にあるときにピントルヘッド16と壁領域24の間に燃料の流れを加速し、流すための環状の流れチャネル26を画定している。不連続部が、環状の流れチャネル26の下流端部に形成されており、燃料の流れがチャネルの壁から引き離されて、キャビテーションが起こるようになっている。図示の実施形態では、この不連続部は、先端部分10の壁領域24の面取り面30によって、バルブシート20の上流に画定されている。しかしながら、流れを引き離してキャビテーションを発生させることができるものであれば、段差又はどの様な他の形状を利用してもよいし、不連続部は、ピントルヘッドと噴射器本体の先端部分の一方又は両方に形成してもよい。
A solenoid actuator (not shown) having an electromagnetic coil and a movable armature may be provided to selectively push the
A
面取り面30は、ピントルストロークが臨界ストローク値を超えると、燃料が面取り縁部から離れて低圧領域を作り出し、そこで液体燃料が蒸発するので、キャビテーションゾーン40(図4)が発生する。これは、以下の2つの積極的な効果を有している。
The
1.ピントルのストロークが増えるにつれてキャビテーションゾーン40の大きさが増すので、ストロークが一旦臨界値を超えると、バルブシートを通過する流量は一定のままに留まる。
1. As the pintle stroke increases, the size of the
2.キャビテーションゾーン40のために、流れは、環状間隙の下流で減速しない。このことは重要であり、なぜなら、ピントルストロークが増えると、テーパー状ピントルヘッドとバルブシートの間の流れ面積が大きくなり、普通は流速が低下するからである。キャビテーションゾーン40を設けることにより、流れ面積は、一部には、液体燃料で満たされ、一部には、液体燃料より遙かに低い密度を有する燃料の蒸気で満たされる。キャビテーションゾーン40はピントルストロークが増すにつれて成長するので、液体燃料が占める流れ面積は実質的に一定となり、流速も実質的に一定に留まる。このため、エネルギー損失を最小に抑えて燃料の流れを計量することができるようになる(エネルギー損失は間隙で生じるだけである)。
2. Because of the
面取り面は、キャビテーションゾーン40を発生させるためと説明しているが、キャビテーションゾーンを作り出すために、間隙の下流に他の形状の造形を用いてもよいと考えられる。例えば、キャビテーションゾーンは、ピントルヘッド又はバルブシートの外形に、段差50(図5)又は他の不連続部で形成してもよい。噴射器本体の先端部分10の非常に小さい寸法と許容差を考慮すると、段差50が製造し易い。
Although the chamfered surface is described as generating the
図3は、流量対ストローク変動の依存関係に関する改良を示している。既存のノズル設計では、流量はストロークと共に線形に増えるのに対して、本発明による提案では、ストロークが或る値を超えると流量がストロークの影響を殆ど受けなくなるストローク値(臨界ストローク)がある。必要最大流量は、不連続部、ピントルヘッドの間の円筒形部分とバルブ本体の間の空隙、及びストロークの相対寸法を適切に選択することにより、特定の用途に合わせて校正することができ、これらの寸法は、顧客の要件に依って変えることもできる。 FIG. 3 shows an improvement regarding the dependence of flow rate versus stroke variation. In existing nozzle designs, the flow rate increases linearly with stroke, whereas in the proposal according to the invention, there is a stroke value (critical stroke) at which the flow rate is almost unaffected by the stroke when the stroke exceeds a certain value. The required maximum flow rate can be calibrated for a specific application by appropriately selecting the discontinuities, the gap between the cylindrical part between the pintle head and the valve body, and the relative dimensions of the stroke, These dimensions can also vary depending on customer requirements.
結論として、提案しているノズル設計では、静的流量はストロークの変動に対して感度が低く(1μm当りの流量の変動<2%)、公称静的流量は、噴霧特性に影響を与えること無く上記相対寸法を変えることにより、顧客の要件に基づいて調節することができる。 In conclusion, with the proposed nozzle design, the static flow rate is less sensitive to stroke variations (flow rate variation per micron <2%), and the nominal static flow rate does not affect the spray characteristics. By changing the relative dimensions, adjustments can be made based on customer requirements.
上記燃料噴射器を製造する方法は、噴霧孔12の上流に流路の第1部を画定する環状チャネル26を設ける段階と、環状チャネル26の下流で且つ噴霧孔の上流に不連続部30、50を設けて、ピントルのストロークが所定の限界を超えるとキャビテーションが生じて、一定断面の仮想チャネルが環状チャネル26の下流に生成されるようにし、それによって、前記噴霧孔を通って流れる燃料の流量が、ピントルがその開位置にあるときは、実質的にピントルのストロークに影響されないようにする、不連続部を設ける段階と、で構成されている。
The method of manufacturing the fuel injector includes providing an
好都合なことに、環状チャネル26、不連続部30、50、及びピントルがその完全開位置に在るときのバルブシートとピントルヘッドのテーパー状部分の間の間隙の相対寸法は、前記環状チャネルの下流に前記キャビテーション生じさせるために、噴射される燃料の1つ又はそれ以上の物理的特性の関数として選択される。前記燃料の1つ又はそれ以上の物理的特性には、燃料の蒸気圧、密度、及び燃料粘度の内の1つ又はそれ以上が含まれる。
Conveniently, the relative dimensions of the
当業者には自明のように、本発明に関して説明した実施形態に対して、特許請求の範囲に定義する本発明の範囲から逸脱すること無く、様々な修正及び変更を施すことができる。本発明について、特定の好適実施形態に関連付けて説明してきたが、請求している本発明は、その様な特定の実施形態に過度に制約されるものではない旨理解頂きたい。 It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made to the embodiments described with respect to the present invention without departing from the scope of the invention as defined in the claims. Although the invention has been described in connection with specific preferred embodiments, it is to be understood that the claimed invention is not unduly limited to such specific embodiments.
10 噴射器本体
12 噴霧孔
14 ピントル
16 ピントルヘッド
18 ピントルヘッドのテーパー状部分
20 バルブシート
22 ピントルヘッドの円筒形部分
24 噴射器本体の同心部分
26 環状チャネル
30、50 不連続部
DESCRIPTION OF
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