JP2019090388A - Fuel injection device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料噴射装置に関する。 The present invention relates to a fuel injection device.
自動車等のエンジンに対して燃料を噴射する燃料噴射装置において、噴孔から噴射させる燃料の噴霧状態を変更する技術が開発されている。 In a fuel injection device that injects fuel to an engine such as a car, a technology has been developed to change the spray state of the fuel injected from the injection hole.
例えば、燃料噴射ノズルのノズルボディの先端部に形成される複数の噴孔入口の開口形状が、噴孔のノズル軸方向の長さ＜噴孔の周方向の幅≦噴孔入口部を含むサック断面部の周長／噴孔数の関係を満たす構成が開示されている。これにより、複雑な加工工程を必要としない簡単な構造でありながらも、ニードルリフト量が低い状態の領域の時と、ニードルリフト量が高い状態の領域の時とで複数のスリット噴孔から燃焼室内に噴射される燃料の噴霧形状を変更することが可能となるとされている。（特許文献１） For example, the opening shape of the plurality of injection hole inlets formed at the tip end portion of the nozzle body of the fuel injection nozzle has a length such that the nozzle axial length of the injection hole <circumferential width of injection hole ≦ injection hole inlet portion A configuration is disclosed that satisfies the relationship of circumferential length of cross section / number of injection holes. Thereby, although it is a simple structure which does not require a complicated processing process, combustion is performed from the plurality of slit injection holes in the area in the state of low needle lift and in the area in the state of high needle lift. It is supposed that it is possible to change the spray shape of the fuel injected into the room. (Patent Document 1)
また、噴孔の入口から出口までの断面形状が異なる燃料噴射弁であって、噴孔の入口から出口までの断面積が一定またはほぼ一定とされている燃料噴射弁が開示されている。また、噴孔の断面方向の寸法が噴孔の入口から出口にいくにしたがって大きくなる燃料噴射弁であって、断面方向と直交する断面方向の寸法が噴孔の出口から入口にいくにしたがって大きくなる燃料噴射弁が開示されている。（特許文献２） Further, a fuel injection valve is disclosed, which is a fuel injection valve having different cross-sectional shapes from the inlet to the outlet of the injection hole, and the cross-sectional area from the inlet to the outlet of the injection hole is constant or almost constant. A fuel injection valve whose dimension in the cross-sectional direction of the injection hole increases as it goes from the inlet to the outlet of the injection hole, and the dimension in the cross-sectional direction orthogonal to the cross-sectional direction becomes larger as it goes from the outlet to the injection hole A fuel injection valve is disclosed. (Patent Document 2)
早期にパイロット噴射を行うとき、メイン噴射時と比較してピストンが下方に位置する。したがって、パイロット噴射の噴射時期が早過ぎると、図１４に示すように、燃料がシリンダの壁面に付着することによるオイルの希釈や未燃焼の炭化水素化合物（ＨＣ）の排出の原因となる。これを抑制するためには、パイロット噴射時にはメイン噴射時より下向きに燃料を噴射してピストンのキャビティ内に留めることが望まれる。 When pilot injection is performed early, the piston is positioned lower than in the main injection. Therefore, if the injection timing of the pilot injection is too early, as shown in FIG. 14, the fuel adheres to the wall of the cylinder, causing dilution of oil and discharge of unburned hydrocarbon compound (HC). In order to suppress this, it is desirable to inject fuel downward at the time of pilot injection from the time of main injection and keep it in the cavity of the piston.
また、特許文献１に記載の技術では、噴孔のノズル軸方向の長さが噴孔の入口から出口に亘って略一定であるので、パイロット噴射時においてもメイン噴射時と同様に燃料が噴孔の中心線方向に噴射される。すなわち、ニードルのリフト量が小さいパイロット噴射においても燃料は下向きに噴射されない。また、特許文献２に記載の技術においても、パイロット噴射時に燃料を下向きに噴射することができない。 Further, in the technique described in Patent Document 1, since the length of the nozzle hole in the nozzle axis direction is substantially constant from the inlet to the outlet of the nozzle, fuel is injected during pilot injection as well as during main injection. It is injected in the direction of the center line of the hole. That is, fuel is not injected downward even in pilot injection where the lift amount of the needle is small. Further, also in the technique described in Patent Document 2, the fuel can not be injected downward at the time of pilot injection.
本発明の１つの態様は、ノズルボディと、前記ノズルボディ内に配置されたニードル弁と、を備え、前記ノズルボディは、前記ニードル弁の先端との間で空間を形成するサック室と、前記サック室の内壁面から前記ノズルボディの外壁面へ繋がり、前記サック室の壁面に噴孔と、を有し、前記ニードル弁の先端は、前記サック室の入口側内壁に対して略平行な流れ制御部を備え、前記流れ制御部より先端側は先細り形状の先端傾斜部とされ、閉弁時には前記流れ制御部と前記先端傾斜部との交点は前記サック室内に位置し、前記噴孔は、入口側から出口側に向かって噴孔中心軸に対して垂直面内の面積が略一定であると共に、入口側から出口側に向かってノズル中心軸方向に沿った寸法が増加する形状とされていることを特徴とする燃料噴射装置である。 One aspect of the present invention comprises a nozzle body and a needle valve disposed in the nozzle body, the nozzle body forming a space with a tip of the needle valve, and The inner wall surface of the suck chamber is connected to the outer wall surface of the nozzle body, and the wall surface of the suck chamber has a nozzle hole, and the tip of the needle valve has a flow substantially parallel to the inner wall of the suck chamber. A control unit is provided, and the tip end side of the flow control unit is a tapered tip inclined portion, and when the valve is closed, an intersection of the flow control unit and the tip inclined portion is located in the suck chamber, and the injection hole is The area in the plane perpendicular to the injection hole central axis is substantially constant from the inlet side to the outlet side, and the dimension along the nozzle central axis direction increases from the inlet side to the outlet side Fuel injection characterized by It is the location.
ここで、閉弁時において、前記流れ制御部が前記ノズルボディのシート面を前記サック室の方向に延長した仮想面と交差する構成とされていることが好適である。 Here, at the time of valve closing, it is preferable that the flow control unit be configured to intersect a virtual surface obtained by extending the sheet surface of the nozzle body in the direction of the suck chamber.
また、前記噴孔の入口部の横断面積と出口部の横断面積の差は±２０％以内であることが好適である。 Preferably, the difference between the cross sectional area of the inlet of the injection hole and the cross sectional area of the outlet is within ± 20%.
また、前記噴孔の入口部における前記ノズル中心軸方向に沿った長さＨ１とそれに直交する周方向の幅Ｗ１のアスペクト比（Ｗ１／Ｈ１）は０．６２以上であることが好適である。 Preferably, the aspect ratio (W1 / H1) of the length H1 along the central axis of the nozzle at the inlet of the injection hole and the width W1 in the circumferential direction orthogonal thereto is 0.62 or more.
また、前記ノズル中心軸方向への前記噴孔の広がり角（β）は７．５°以上であることが好適である。 Preferably, the spread angle (β) of the injection hole in the nozzle central axis direction is 7.5 ° or more.
また、前記流れ制御部と前記サック室の壁面との間の角度（ψ）は±１０°以内であることが好適である。 Further, it is preferable that an angle (ψ) between the flow control unit and the wall surface of the suck chamber be within ± 10 °.
本発明によれば、ニードル弁のリフト量に応じて噴孔からの燃料の噴射方向を制御し、オイルの希釈や未燃焼の炭化水素化合物（ＨＣ）の排出を抑制することができる。 According to the present invention, it is possible to control the injection direction of the fuel from the injection hole in accordance with the lift amount of the needle valve, and to suppress the dilution of oil and the discharge of the unburned hydrocarbon compound (HC).
本発明の実施の形態における燃料噴射装置１００は、図１の部分拡大縦断面図に示すように、ノズルボディ１０及びニードル弁２０を備える。図２は、図１におけるラインＡ−Ａに沿った断面図である。図１において、燃料は図面上側（以下、上流側という。）から図面下側（以下、下流側という。）へ供給される。 The fuel injection device 100 according to the embodiment of the present invention includes a nozzle body 10 and a needle valve 20, as shown in the partial enlarged vertical sectional view of FIG. FIG. 2 is a cross-sectional view along line A-A in FIG. In FIG. 1, fuel is supplied from the upper side (hereinafter referred to as the upstream side) to the lower side (hereinafter referred to as the downstream side) in the drawing.
ノズルボディ１０は、略円筒状であり、内部にニードル弁２０を収納する空間を有する。ニードル弁２０は、ノズルボディ１０内に収納され、ノズル中心軸Ｎに沿って往復運動が可能に配置される。 The nozzle body 10 is substantially cylindrical and has a space for accommodating the needle valve 20 therein. The needle valve 20 is housed in the nozzle body 10 and is arranged to be capable of reciprocating movement along the nozzle central axis N.
ノズルボディ１０の外壁面側となる先端部は略円錐状に形成され、ノズルボディ１０の内壁面は、燃料の流れの上流側が円筒状とされ、下流側が略円錐状に形成される。内壁面の円錐状部はニードル弁２０が着座するシート面１１とされている。 The tip end portion on the outer wall surface side of the nozzle body 10 is formed in a substantially conical shape, and the inner wall surface of the nozzle body 10 is formed in a cylindrical shape on the upstream side of the flow of fuel and is formed in a substantially conical shape on the downstream side. The conical portion of the inner wall surface is a seat surface 11 on which the needle valve 20 is seated.
また、ノズルボディ１０のニードル弁２０の先端部に対向する部分にはサック室１４が形成される。サック室１４は、ニードル弁２０の先端部において燃料溜まりとなる部分である。サック室１４は、例えば、ノズルボディ１０の内壁面を半球状に加工して形成された下流側の半球形状部分１４ａとその上流側に連続して設けられた円筒形状部分１４ｂとを組み合わせた形状を有する。 In addition, a suck chamber 14 is formed in a portion of the nozzle body 10 facing the tip of the needle valve 20. The suck chamber 14 is a portion that becomes a fuel reservoir at the tip of the needle valve 20. The suck chamber 14 is, for example, a combination of a downstream hemispherical portion 14a formed by processing the inner wall surface of the nozzle body 10 into a hemispherical shape and a cylindrical portion 14b continuously provided on the upstream side thereof. Have.
ニードル弁２０は、ノズルボディ１０の内壁面と対応する円錐型状に形成される。円錐形状部分の表面は、ノズルボディ１０のシート面１１に着座するシート部２１となる。すなわち、ニードル弁２０のシート部２１がノズルボディ１０のシート面１１に押しつけられることによって、ノズルボディ１０の内壁面とニードル弁２０の外周面とによって形成される燃料供給路からの燃料の供給を止めることができる。 The needle valve 20 is formed in a conical shape corresponding to the inner wall surface of the nozzle body 10. The surface of the conical portion is the seat portion 21 seated on the seat surface 11 of the nozzle body 10. That is, the seat portion 21 of the needle valve 20 is pressed against the seat surface 11 of the nozzle body 10 to supply the fuel from the fuel supply passage formed by the inner wall surface of the nozzle body 10 and the outer peripheral surface of the needle valve 20. You can stop it.
ニードル弁２０の先端部は、ノズル中心軸Ｎを中心軸とした略円筒形状の流れ制御部２２が設けられる。流れ制御部２２は、サック室１４の上流側に設けられた円筒形状部分１４ｂの内壁と略平行な周壁を有する。また、ニードル弁２０の先端部の流れ制御部２２のさらに先には先細りの円錐台形状のニードル先端傾斜部２３が設けられる。 The tip end portion of the needle valve 20 is provided with a substantially cylindrical flow control unit 22 whose central axis is the nozzle central axis N. The flow control unit 22 has a peripheral wall substantially parallel to the inner wall of the cylindrical portion 14 b provided on the upstream side of the suck chamber 14. Further, on the tip of the tip end portion of the needle valve 20, a tapered truncated cone-shaped needle tip inclined portion 23 is provided further on the tip of the flow control portion 22.
本実施の形態では、シート部２１と流れ制御部２２とが直線的に交わる交点ａを有する。なお、直線的に交わる交点ａとせず、燃料のスムーズな流れが形成されるように曲面Ｒを設ける構成としてもよい。また、流れ制御部２２とニードル先端傾斜部２３とが直線的に交わる交点ｂを有する。また、ニードル弁２０のシート部２１がノズルボディ１０のシート面１１に着座した状態では、交点ｂはサック室１４内に位置する。 In the present embodiment, there is an intersection point a where the sheet portion 21 and the flow control portion 22 intersect linearly. The curved surface R may be provided so as to form a smooth flow of fuel instead of the intersection point a which intersects linearly. In addition, there is an intersection point b where the flow control unit 22 and the needle tip inclined portion 23 intersect linearly. Further, in a state in which the seat portion 21 of the needle valve 20 is seated on the seat surface 11 of the nozzle body 10, the intersection point b is located in the suck chamber 14.
ノズルボディ１０のサック室１４には、噴孔１２が形成される。本実施の形態では、サック室１４の下流側の半球形状部分１４ａに噴孔１２が設けられる。噴孔１２は、ノズルボディ１０の内壁面とニードル弁２０の外壁面との間隙を通って供給される燃料を噴霧するための孔である。 In the suck chamber 14 of the nozzle body 10, an injection hole 12 is formed. In the present embodiment, the injection hole 12 is provided in the hemispherical portion 14 a on the downstream side of the suck chamber 14. The injection hole 12 is a hole for spraying the fuel supplied through the gap between the inner wall surface of the nozzle body 10 and the outer wall surface of the needle valve 20.
噴孔１２は、図２の横断面図に示すように、ノズルボディ１０の周方向に沿ってノズル中心軸Ｎから放射状に複数（例えば６〜１２個）設けることが好適である。図２では、４５°毎に合計８つの噴孔１２を設けた例を示している。噴孔１２は、サック室１４の内壁面に入口が位置し、ノズルボディ１０の外周面に出口が位置するように形成される。 As shown in the cross sectional view of FIG. 2, it is preferable that a plurality (for example, 6 to 12) of the injection holes 12 be provided radially from the nozzle central axis N along the circumferential direction of the nozzle body 10. FIG. 2 shows an example in which a total of eight injection holes 12 are provided every 45 °. The injection hole 12 is formed such that the inlet is located on the inner wall surface of the suck chamber 14 and the outlet is located on the outer peripheral surface of the nozzle body 10.
噴孔１２は、その入口側から出口側に亘って噴孔中心軸Ｘに対して垂直面内の横断面積は略一定である。後述する噴孔１２内での燃料の流れ制御を好適に行うためには、噴孔１２の入口部と出口部での横断面積の差は±２０％以内、より好適には±１０％以内に設定することが好適である。なお、流量係数を大きくするために噴孔１２の入口部（サック室１４と噴孔１２との接続部）を曲面加工してもよい。この場合、曲面加工された部分を除いた範囲内の横断面積が略一定となるようにすればよい。 The injection hole 12 has a substantially constant cross-sectional area in a plane perpendicular to the injection hole central axis X from the inlet side to the outlet side. In order to control the flow of fuel in the injection hole 12 described later, the difference in the cross sectional area between the inlet and the outlet of the injection hole 12 is within ± 20%, more preferably within ± 10%. It is preferable to set. In order to increase the flow rate coefficient, the inlet of the injection hole 12 (the connection between the suck chamber 14 and the injection hole 12) may be curved. In this case, the cross-sectional area within the range excluding the curved portion may be made substantially constant.
また、噴孔１２は、入口側から出口側に向かってノズル中心軸方向に沿った方向の寸法が増加する形状とされている。すなわち、図３の縦断面拡大図に示すＢ−Ｂライン、Ｃ−Ｃライン及びＤ−Ｄラインに沿った噴孔１２の断面は、図４に示すように、噴孔１２の入口側から出口側に向かってノズル中心軸方向に沿った方向（図３中、ノズル中心軸方向と示す）の長さが大きくなり、燃料噴射装置１００の周方向（図２中、周方向と示す）の幅が小さくなる。 Further, the injection hole 12 is shaped such that the dimension in the direction along the central axis of the nozzle increases from the inlet side toward the outlet side. That is, as shown in FIG. 4, the cross section of the injection hole 12 along the lines B-B, C-C and D-D shown in the enlarged vertical cross-sectional view of FIG. The length in the direction along the nozzle center axis direction (shown as the nozzle center axis direction in FIG. 3) increases toward the side, and the width in the circumferential direction (shown as the circumferential direction in FIG. 2) of the fuel injection device 100 increases. Becomes smaller.
燃料噴射装置１００は、ニードル弁２０をノズル中心軸Ｎに沿って移動させるためのニードル移動機構（図示しない）を備える。ノズルボディ１０内を下流方向にニードル弁２０を移動させるとシート部２１がシート面１１に接触する。これによって、燃料噴射装置１００は閉弁状態となる。閉弁状態からニードル弁２０を上流方向に移動させると、シート部２１とシート面１１とが離間され、シート部２１とシート面１１との間隙を通じて燃料がサック室１４に供給される。これによって、燃料噴射装置１００は開弁状態となる。 The fuel injection device 100 includes a needle moving mechanism (not shown) for moving the needle valve 20 along the nozzle central axis N. When the needle valve 20 is moved in the downstream direction in the nozzle body 10, the seat portion 21 contacts the seat surface 11. As a result, the fuel injection device 100 is closed. When the needle valve 20 is moved in the upstream direction from the valve closed state, the seat portion 21 and the seat surface 11 are separated, and fuel is supplied to the suck chamber 14 through the gap between the seat portion 21 and the seat surface 11. Thus, the fuel injection device 100 is opened.
以下、ニードル移動機構によって、シート部２１がシート面１１から十分に離れた状態までニードル弁２０が移動（リフト）された状態を高リフト状態と称し、シート部２１とシート面１１とが近い状態を低リフト状態と称する。 Hereinafter, a state in which the needle valve 20 is moved (lifted) to a state in which the seat portion 21 is sufficiently separated from the seat surface 11 by the needle moving mechanism is referred to as a high lift state, and the seat portion 21 and the seat surface 11 are close. Is called a low lift state.
以下、図５及び図６を参照して、パイロット噴射時及びメイン噴射時における燃料噴射装置１００の作用を説明する。 Hereinafter, with reference to FIG. 5 and FIG. 6, the operation of the fuel injection device 100 at the time of pilot injection and at the time of main injection will be described.
（１）ニードル弁２０のリフト量が小さく、低リフト状態である場合、燃料噴射装置１００はパイロット噴射状態となる。パイロット噴射時の燃料の噴射量は通常１〜２ｍｍ３と微量である。通常、ニードル弁２０が数十μｍだけリフトして開弁した状態においてパイロット噴射が行われる。 (1) When the lift amount of the needle valve 20 is small and in the low lift state, the fuel injection device 100 is in the pilot injection state. The amount of fuel injection at the time of pilot injection is usually as small as 1 to 2 mm 3 . Usually, the pilot injection is performed in a state where the needle valve 20 is lifted by several tens of μm and opened.
パイロット噴射の期間中は、図５に示すように、ノズルボディ１０のシート面１１とニードル弁２０のシート部２１との間に形成される流路面積がすべての噴孔１２の最少流路面積の総和よりも小さい状態、すなわち「シートチョーク状態」で燃料が噴射される。なお、図５において、燃料の流れは太矢印で示している。 During the pilot injection, as shown in FIG. 5, the flow passage area formed between the seat surface 11 of the nozzle body 10 and the seat portion 21 of the needle valve 20 is the smallest flow passage area of all the injection holes 12. The fuel is injected in a state smaller than the sum of the above, that is, in the "seat choke state". In FIG. 5, the flow of fuel is indicated by a thick arrow.
図５に示すように、パイロット噴射時には流れ制御部２２とニードル先端傾斜部２３との交点ｂがサック室１４内に位置する。したがって、シート面１１に沿う燃料の流れは流れ制御部２２によってサック室１４の円筒形状部分１４ｂの内壁に沿う流れとなって噴孔１２に流入する。このとき、燃料の慣性によってサック室１４内の内壁に沿う流れが噴孔１２の噴孔中心軸Ｘの方向に急変できないので、噴孔１２の入口の上側で壁面から剥離し、噴孔１２の下側壁面に沿う流れが形成される。噴孔１２に流入した燃料は出口まで略一定流速で流れる。このとき、噴孔中心軸Ｘに対して垂直面内における燃料の横断面積は略一定であるので、噴孔１２の入口で上側壁面から剥離した燃料は噴孔１２の全域を満たすことなく、噴孔１２の下側壁面に沿う流れを維持したまま噴孔１２の出口から下向きに燃料が噴射される。 As shown in FIG. 5, at the time of pilot injection, an intersection point b of the flow control unit 22 and the needle tip inclined portion 23 is located in the suck chamber 14. Therefore, the flow of fuel along the seat surface 11 flows along the inner wall of the cylindrical portion 14 b of the suck chamber 14 by the flow control unit 22 and flows into the injection hole 12. At this time, since the flow along the inner wall in the suck chamber 14 can not be suddenly changed in the direction of the injection hole central axis X of the injection hole 12 due to the inertia of the fuel, it separates from the wall above the inlet of the injection hole 12. A flow is formed along the lower wall surface. The fuel that has flowed into the injection hole 12 flows at a substantially constant flow rate to the outlet. At this time, since the cross sectional area of the fuel in a plane perpendicular to the injection hole central axis X is substantially constant, the fuel separated from the upper wall surface at the inlet of the injection hole 12 does not fill the entire area of the injection hole 12. The fuel is injected downward from the outlet of the injection hole 12 while maintaining the flow along the lower wall surface of the hole 12.
すなわち、パイロット噴射時において、燃料の噴射半角は後述するメイン噴射時に比べて小さくなる。ここで、噴射半角とは、噴孔１２の出口部における燃料の噴出方向とノズル中心軸Ｎの間の角度である。 That is, at the time of pilot injection, the half injection angle of fuel becomes smaller than at the time of main injection described later. Here, the half injection angle is an angle between the jet direction of the fuel at the outlet of the injection hole 12 and the nozzle center axis N.
なお、図７に示すように、閉弁状態においてシート面１１をサック室１４の方向に延長した仮想面Ｍが流れ制御部２２と交差するような構成とすることが好適である。これによって、シート面１１からサック室１４内に流入する燃料の大部分が流れ制御部２２によってサック室１４の内壁に沿う流れとなり、噴孔１２の入口から下側内壁に向かう燃料の流れを確実に形成できる。 As shown in FIG. 7, it is preferable that the virtual surface M in which the seat surface 11 extends in the direction of the suck chamber 14 in the valve closed state intersect the flow control unit 22. As a result, most of the fuel flowing into the suck chamber 14 from the seat surface 11 becomes a flow along the inner wall of the suck chamber 14 by the flow control unit 22, and the flow of fuel from the inlet of the injection hole 12 to the lower inner wall is assured It can be formed into
（２）ニードル弁２０のリフト量が大きく、高リフト状態である場合、燃料噴射装置１００はメイン噴射状態となる。メイン噴射状態では、パイロット噴射状態に比べて燃料の噴射量は多くなる。 (2) When the lift amount of the needle valve 20 is large and in the high lift state, the fuel injection device 100 is in the main injection state. In the main injection state, the fuel injection amount is larger than in the pilot injection state.
メイン噴射の期間中は、図６に示すように、ノズルボディ１０のシート面１１とニードル弁２０のシート部２１との間に形成される流路面積がすべての噴孔１２の最少流路面積の総和より大きい状態、すなわち「噴孔絞り状態」で燃料が噴射される。なお、図６において、燃料の流れは太矢印で示している。 During the main injection period, as shown in FIG. 6, the flow passage area formed between the seat surface 11 of the nozzle body 10 and the seat portion 21 of the needle valve 20 is the minimum flow passage area of all the injection holes 12 The fuel is injected in a state larger than the sum of the above, that is, in the “injection hole throttle state”. In FIG. 6, the flow of fuel is indicated by a thick arrow.
図６に示すように、メイン噴射時にはニードル弁２０のリフト量が大きく、流れ制御部２２とニードル先端傾斜部２３との交点ｂがサック室１４の外に位置する。このとき、シート面１１に沿う燃料の流れは流れ制御部２２によって大きく変えられることなく、慣性によって噴孔１２に対して噴孔中心軸Ｘ方向に流入する。そのため、パイロット噴射状態のように噴孔１２の内壁に沿う流れが強い場合と比べて、噴孔１２の上側に流入する燃料の曲がりが緩やかとなり、噴孔１２の入口の略全域から燃料が流入する。噴孔１２の入口から出口に亘って噴孔中心軸Ｘに対して垂直面内の横断面積が略一定であり、噴孔１２内を流れる燃料の速度も略一定であるので、噴孔１２の入口から出口に至るまでの略全域が燃料で満たされた状態で流れる。噴孔１２は、上記説明のように、入口から出口に向かってノズル中心軸方向に拡大しており、これに伴って燃料もノズル中心軸方向に拡がりながら噴孔１２の出口から噴出される。したがって、燃料室内においてノズル中心軸方向に高分散化された燃料の噴霧が形成される。 As shown in FIG. 6, at the time of main injection, the lift amount of the needle valve 20 is large, and the intersection b of the flow control unit 22 and the needle tip inclined portion 23 is located outside the suck chamber 14. At this time, the flow of the fuel along the seat surface 11 flows into the injection hole 12 in the injection hole central axis X direction by inertia without being largely changed by the flow control unit 22. Therefore, as compared with the case where the flow along the inner wall of the injection hole 12 is strong as in the pilot injection state, the curve of the fuel flowing into the upper side of the injection hole 12 becomes gentle, and the fuel flows from substantially the entire inlet of the injection hole 12 Do. Since the cross-sectional area in the plane perpendicular to the injection hole central axis X is substantially constant from the inlet to the outlet of the injection hole 12 and the velocity of the fuel flowing in the injection hole 12 is also substantially constant, The entire area from the inlet to the outlet flows filled with fuel. As described above, the injection holes 12 expand in the central axis direction of the nozzle from the inlet to the outlet, and along with this, the fuel is also ejected from the outlet of the injection holes 12 while spreading in the axial direction of the nozzle. Therefore, the fuel spray highly dispersed in the nozzle central axis direction is formed in the fuel chamber.
ここで、上述のように、噴孔１２は、その入口側から出口側に亘って噴孔中心軸Ｘに対して垂直面内の横断面積は略一定とし、噴孔１２の入口部と出口部での横断面積の差は±２０％以内、より好適には±１０％以内に設定することが好適である。これは、例えば、噴孔１２の入口から出口に向かって横断面積が減少するような構成とした場合、メイン噴射時に噴孔１２の全域が燃料で満たされ易くなるが、パイロット噴射時においても噴孔１２内で燃料が上側に拡がり易くなってしまうからである。一方、噴孔１２の入口から出口に向かって横断面積が増加するような構成とした場合、反対にメイン噴射時には噴孔１２の上側で燃料の流れが剥離し易くなり、燃料の高分散化の効果が小さくなってしまうからである。これに対して、上記好適な条件では、パイロット噴射時における下向き噴射とメイン噴射時における広角噴射を併せて実現することができる。 Here, as described above, the injection hole 12 has a substantially constant cross-sectional area in a plane perpendicular to the injection hole central axis X from the inlet side to the outlet side, and the inlet and outlet of the injection hole 12 It is preferable to set the difference in cross-sectional area at within ± 20%, more preferably within ± 10%. This is because, for example, when the cross-sectional area decreases from the inlet to the outlet of the injection hole 12, the entire area of the injection hole 12 is likely to be filled with fuel at the time of main injection. This is because the fuel tends to spread upward in the hole 12. On the other hand, when the cross-sectional area is increased from the inlet to the outlet of the injection hole 12, on the contrary, the flow of fuel is easily separated above the injection hole 12 during the main injection, and the fuel is highly dispersed. It is because the effect is reduced. On the other hand, under the above preferable conditions, the downward injection at the time of pilot injection and the wide angle injection at the time of main injection can be realized together.
なお、ノズルボディ１０の内壁と噴孔１２の入口との接続箇所が鋭角である場合、噴孔１２の入口部上側で燃料の流れが剥離し易くなる。そこで、上述のように、流量係数を大きくするために噴孔１２の入口部（サック室１４と噴孔１２との接続部）を曲面加工してもよい。これにより、噴孔１２の入口部上側で燃料の流れの剥離を抑制することができる。 When the connection between the inner wall of the nozzle body 10 and the inlet of the injection hole 12 has an acute angle, the flow of fuel is likely to be separated above the inlet of the injection hole 12. Therefore, as described above, in order to increase the flow coefficient, the inlet of the injection hole 12 (the connection between the suck chamber 14 and the injection hole 12) may be curved. Thereby, separation of the flow of the fuel can be suppressed on the upper side of the inlet of the injection hole 12.
このとき、噴孔１２の入口部における燃料の流れの剥離が小さい場合にはコアンダ効果により流れが噴孔１２の上側に再付着し、噴孔１２の出口全域から燃料を噴射させることができる。したがって、コアンダ効果が生ずる程度に噴孔１２の入口付近を曲面加工すれば、研磨に掛かる加工時間を短縮できると共に加工コストも削減することができる。なお、噴孔１２の入口部を曲面加工せず、鋭角のままにしたとしても、例えば噴孔１２の出口まで噴孔１２の上部から燃料の流れが剥離した状態であったとしても従来に比べて燃料はノズル中心軸方向に高分散化されて噴射される。 At this time, when the separation of the flow of the fuel at the inlet of the injection hole 12 is small, the flow reattaches to the upper side of the injection hole 12 due to the Coanda effect, and the fuel can be injected from the entire outlet of the injection hole 12. Accordingly, if the curved portion near the inlet of the injection hole 12 is processed to the extent that the Coanda effect occurs, the processing time required for polishing can be shortened and the processing cost can be reduced. Even if the inlet of the injection hole 12 is not processed into a curved surface and kept at an acute angle, for example, even if the flow of fuel is separated from the top of the injection hole 12 up to the outlet of the injection hole 12 The fuel is highly dispersed and injected in the central axis direction of the nozzle.
また、ニードル弁２０がノズルボディ１０に着座している状態において、流れ制御部２２とニードル先端傾斜部２３とが直線的に交わる交点ｂを含むノズル中心軸Ｎに対する垂直面が噴孔１２の入口の開口部と重ならないような構成とすることが好適である。ここで、噴孔１２の入口の開口部は曲面加工されていない部分を意味するものとする。これによって、噴孔１２の入口で燃料の流れが剥離するパイロット噴射状態を短く設定でき、メイン噴射時に要求される高分散化された噴霧の期間を長くすることができる。 Further, in a state in which the needle valve 20 is seated on the nozzle body 10, a plane perpendicular to the nozzle central axis N including the intersection point b where the flow control unit 22 and the needle tip inclined portion 23 intersect linearly It is preferable to make it the structure which does not overlap with the opening part of. Here, the opening at the inlet of the injection hole 12 means a portion which is not curved. As a result, the pilot injection state in which the flow of fuel separates at the inlet of the injection hole 12 can be set short, and the period of highly dispersed spray required at the time of main injection can be extended.
図８（ａ）は、パイロット噴射時、すなわちニードル弁２０のリフト量が小さく、流れ制御部２２とニードル先端傾斜部２３との交点ｂがサック室１４内に位置する時における燃料の流れを示す。パイロット噴射時においては、噴孔１２の入口の上側で燃料の流れが壁面から剥離し、噴孔１２の下側の壁面に沿うような流れとなる。図８（ｂ）は、メイン噴射時、すなわちニードル弁２０のリフト量が大きく、流れ制御部２２とニードル先端傾斜部２３との交点ｂがサック室１４外に位置する時における燃料の流れを示す。メイン噴射時においては、噴孔１２の入口の略全域から燃料が流入し、噴孔１２の入口から出口に至るまでの略全域が燃料で満たされた状態で流れ、ノズル中心軸方向に拡がりながら噴孔１２の出口から燃料が噴出される。具体的には、噴孔１２の入口の上側に小さな流れの剥離がみられるものの、その下流において流れは壁面に再付着して噴孔１２の出口部の全域から燃料が流出している。その結果、高分散の噴霧を得ることができる。 FIG. 8A shows the flow of fuel at the time of pilot injection, that is, when the lift amount of the needle valve 20 is small and the intersection point b between the flow control unit 22 and the needle tip inclined portion 23 is located in the suck chamber 14. . At the time of pilot injection, the flow of fuel separates from the wall surface above the inlet of the injection hole 12, and flows along the lower wall surface of the injection hole 12. FIG. 8B shows the flow of fuel at the time of main injection, that is, when the lift amount of the needle valve 20 is large and the intersection b between the flow control unit 22 and the needle tip inclined portion 23 is located outside the suck chamber 14 . At the time of main injection, fuel flows in from substantially the entire area of the inlet of the injection hole 12, and flows substantially in a substantially full area from the inlet to the outlet of the injection hole 12 while expanding in the nozzle central axis direction. Fuel is ejected from the outlet of the injection hole 12. Specifically, although a small flow separation is observed on the upper side of the inlet of the injection hole 12, the flow reattaches to the wall downstream thereof, and the fuel flows out from the entire area of the outlet of the injection hole 12. As a result, a highly dispersed spray can be obtained.
なお、従来の燃料噴射装置では、ニードルのリフト量が小さいときには、図９に示すように、サック室の底面付近から噴孔の入口に向かう斜め上向きの燃料の流れができる。したがって、燃料は噴孔の上面に沿って流れて、そのまま上向きに噴射される。 In the conventional fuel injection device, when the lift amount of the needle is small, fuel can flow obliquely upward from near the bottom surface of the suck chamber toward the inlet of the injection hole, as shown in FIG. Therefore, the fuel flows along the upper surface of the injection hole and is injected upward as it is.
次に、噴孔１２の好適な構成について説明する。図１０は、噴孔１２の断面形状の変形例を示す。図１０は、図３の縦断面拡大図に示すＢ−Ｂライン、Ｃ−Ｃライン及びＤ−Ｄラインに沿った噴孔１２の断面形状の変形例を示している。変形例１は端部が円形に加工された噴孔１２の例、変形例２は隅部が曲線に加工された噴孔１２の例、変形例３は楕円状に加工された噴孔１２の例である。いずれの変形例においても噴孔１２の入口側から出口側に向かってノズル中心軸方向に沿った方向（図３中、ノズル中心軸方向と示す）の長さが大きくなり、燃料噴射装置１００の周方向（図２中、周方向と示す）の幅が小さくなる。また、いずれの変形例においても噴孔１２の入口側から出口側に向かって横断断面積は略等しくされている。 Next, a preferred configuration of the injection hole 12 will be described. FIG. 10 shows a modified example of the cross-sectional shape of the injection hole 12. FIG. 10 shows a modification of the cross-sectional shape of the injection hole 12 along the lines B-B, C-C and D-D shown in the enlarged vertical cross-sectional view of FIG. Modification 1 is an example of the injection hole 12 whose end is machined into a circular shape, Modification 2 is an example of the injection hole 12 whose corner is machined into a curve, and Modification 3 is an oval of the injection hole 12 processed into an elliptical shape. It is an example. In any of the modifications, the length along the nozzle center axis direction (shown as the nozzle center axis direction in FIG. 3) increases from the inlet side to the outlet side of the injection hole 12. The width in the circumferential direction (shown as circumferential direction in FIG. 2) is reduced. Further, in any of the modifications, the cross-sectional area is substantially equal from the inlet side to the outlet side of the injection hole 12.
噴孔１２の入口部の長さＨ１（ノズル中心軸方向）と幅Ｗ１（周方向）の比（アスペクト比＝Ｗ１／Ｈ１）について検討する。図１１は、ニードル弁２０のリフト量が十分に大きい噴孔絞り状態での噴孔１２の入口における噴孔１２の形状のアスペクト比（Ｗ１／Ｈ１）と流量係数との関係を示す。図１１の縦軸はアスペクト比＝１の場合の流量係数で正規化して表している。なお、流体研磨等で噴孔１２の入口部を曲面加工したものについては加工前の噴孔１２の入口形状でのアスペクト比で表している。流量係数は、噴孔１２の入口部に２０μｍの曲面加工を行った形状を対象にして数値計算した結果である。 The ratio (aspect ratio = W1 / H1) of the length H1 (in the nozzle central axis direction) to the width W1 (in the circumferential direction) of the inlet of the injection hole 12 will be examined. FIG. 11 shows the relationship between the aspect ratio (W1 / H1) of the shape of the injection hole 12 at the inlet of the injection hole 12 and the flow coefficient when the lift amount of the needle valve 20 is sufficiently large. The vertical axis in FIG. 11 is normalized by the flow coefficient in the case of aspect ratio = 1. In addition, about what curved the inlet part of the injection hole 12 by fluid grinding etc., it represents with the aspect-ratio in the inlet shape of the injection hole 12 before processing. The flow coefficient is a result of numerical calculation for a shape in which a 20 μm curved surface is processed at the inlet of the injection hole 12.
図１１によれば、アスペクト比（Ｗ１／Ｈ１）が１より小さくなると流量係数が大きく変化することが分かった。ニードル弁２０のリフト量が十分に大きい噴孔絞り状態では、噴射率（単位時間当たりの燃料噴射量）を高めるために大きな流量係数が望まれる。この観点から、アスペクト比（Ｗ１／Ｈ１）を０．６２以上に設定することが好適であり、１に設定した場合に比べて流量係数の低下は１０％以下に抑えることができる。さらに、流量係数の低下を５％以内に抑えるにはアスペクト比（Ｗ１／Ｈ１）を０．７８以上に設定することが好適である。 According to FIG. 11, it was found that when the aspect ratio (W1 / H1) becomes smaller than 1, the flow coefficient largely changes. In the injection hole throttle state where the lift amount of the needle valve 20 is sufficiently large, a large flow coefficient is desired to increase the injection rate (fuel injection amount per unit time). From this point of view, it is preferable to set the aspect ratio (W1 / H1) to 0.62 or more, and the decrease in the flow coefficient can be suppressed to 10% or less as compared with the case set to 1. Furthermore, in order to suppress the decrease in the flow coefficient to 5% or less, it is preferable to set the aspect ratio (W1 / H1) to 0.78 or more.
また、予混合圧縮自着火燃焼（ＰＣＣＩ燃焼：Premixed Charge Compression Ignition）では、従来の拡散燃焼時と比較して早期に燃料を噴射し、予混合化した後に燃焼させる。そのため、早期パイロット噴射時の場合と同様に燃料のシリンダ壁面への付着に起因するオイル希釈や未燃焼の炭化水素化合物（ＨＣ）の排出を抑制するには、従来の拡散燃焼の場合と比較して下向きに燃料を噴射することが望まれる。予混合圧縮自着火燃焼は、比較的にエンジンの運転負荷が小さい（燃料噴射量が比較的に少ない）領域で適用されるため、ニードル弁２０のリフト量が比較的に小さく、燃料噴射装置１００では下向きに燃料が噴射される。なお、さらに運転負荷が高い領域まで予混合圧縮自着火燃焼させるために、さらに多くの燃料噴射量を下向き噴射することが要求される場合には、下向き噴射が確保されるニードル弁２０のリフト量が小さい状態での噴射を複数回行う、又は、ニードル弁２０のリフト量が小さい状態で保持できる可変ニードルリフトインジェクタに燃料噴射装置１００を装着するとよい。 Further, in the premixed charge compression ignition combustion (PCCI combustion: Premixed Charge Compression Ignition), fuel is injected earlier than in conventional diffusion combustion, and is mixed and then burned. Therefore, as in the case of early pilot injection, in order to suppress the discharge of oil dilution and unburned hydrocarbon compounds (HC) caused by the adhesion of fuel to the cylinder wall surface, compared with the case of conventional diffusion combustion, It is desirable to inject fuel downward. Since the premixed compression autoignition combustion is applied in a region where the engine operating load is relatively small (the fuel injection amount is relatively small), the lift amount of the needle valve 20 is relatively small. Then the fuel is injected downward. In addition, when it is required to inject more fuel injection amount downward in order to carry out the premixed compression autoignition combustion to a region where the operation load is still higher, the lift amount of the needle valve 20 for which the downward injection is secured The fuel injection device 100 may be mounted on a variable needle lift injector capable of performing injection several times in a state in which d is small or holding the lift amount of the needle valve 20 in a small state.
図１２は、噴射時期を−３５°ＡＴＤＣと−４０°ＡＴＤＣに設定した場合の予混合圧縮自着火燃焼におけるノズル中心軸方向への噴孔広がり角（β）と未燃焼の炭化水素（ＨＣ）との関係を示す。なお，図中の角度α２は従来のホールノズルを使用した場合の従来の拡散燃焼時に適した燃料噴射方向角度に設定した。噴射時期が−３５°ＡＴＤＣの場合と比較して−４０°ＡＴＤＣの場合の方が噴孔広がり角（β）に対する未燃焼の炭化水素化合物（ＨＣ）の変化が大きいが，噴孔広がり角（β）を増加させれば未燃焼の炭化水素化合物（ＨＣ）を抑制できることが分かった。この結果から、シリンダ壁面への燃料付着に起因する未燃焼の炭化水素化合物（ＨＣ）の低減に対して、噴孔広がり角（β）を７．５°以上に設定することが好適であり、さらには１５°以上に設定することが好適である。 FIG. 12 shows the injection hole spread angle (β) and unburned hydrocarbon (HC) in the nozzle center axis direction in the premixed compression autoignition combustion when the injection timing is set to -35 ° ATDC and -40 ° ATDC. Show the relationship with The angle α2 in the figure is set to a fuel injection direction angle suitable for conventional diffusion combustion when using a conventional hole nozzle. The change in unburned hydrocarbon compound (HC) with respect to the injection hole spread angle (β) is larger at -40 ° ATDC compared to the injection timing at -35 ° ATDC, but the injection hole spread angle ( It was found that increasing β) can suppress unburned hydrocarbon compounds (HC). From this result, it is preferable to set the injection hole spread angle (β) to 7.5 ° or more for the reduction of unburned hydrocarbon compounds (HC) caused by the fuel adhesion to the cylinder wall surface, Furthermore, it is preferable to set to 15 degrees or more.
流れ制御部２２とサック室１４内の壁の間の角度（図１３のψ）が大きくなると、燃料がサック室１４の底面付近まで流れ、そこから噴孔１２の入口に向かう斜め上向きの流れが強くなる。そこで、流れ制御部２２の角度（ψ）は±１０°以内とすることが好適であり、さらに±５°以内とすることがより好適であると推定される。 When the angle between the flow control unit 22 and the wall in the suck chamber 14 (the weir in FIG. 13) increases, the fuel flows near the bottom of the suck chamber 14, from which the obliquely upward flow toward the inlet of the injection hole 12 Become stronger. Therefore, it is estimated that the angle (ψ) of the flow control unit 22 is preferably within ± 10 °, and more preferably within ± 5 °.
以上のように、本発明の実施の形態における燃料噴射装置１００によれば、ニードル弁２０のリフト量に応じて噴孔１２からの燃料の噴射方向を制御することができる。これによって、燃料のオイル希釈や未燃焼の炭化水素化合物（ＨＣ）の発生を抑制することができる。また、本発明の実施の形態における燃料噴射装置１００は、非常に簡単な構造であるため、高い加工精度を必要とすることなく、加工時間や製造コストを低減することができる。また、ニードル弁２０の機械的強度を損なうことなく、耐久性に優れた燃料噴射装置１００を提供することができる。 As described above, according to the fuel injection device 100 in the embodiment of the present invention, it is possible to control the injection direction of the fuel from the injection hole 12 in accordance with the lift amount of the needle valve 20. By this, it is possible to suppress oil dilution of fuel and generation of unburned hydrocarbon compounds (HC). Further, since the fuel injection device 100 according to the embodiment of the present invention has a very simple structure, processing time and manufacturing cost can be reduced without requiring high processing accuracy. In addition, the fuel injection device 100 with excellent durability can be provided without losing the mechanical strength of the needle valve 20.
１０ ノズルボディ、１１ シート面、１２ 噴孔、１４ サック室、１４ａ 半球形状部分、１４ｂ 円筒形状部分、２０ ニードル弁、２１ シート部、２２ 流れ制御部、２３ ニードル先端傾斜部、１００ 燃料噴射装置。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 nozzle body, 11 seat surface, 12 injection hole, 14 suck chamber, 14a hemispherical part, 14b cylindrical part, 20 needle valve, 21 seat part, 22 flow control part, 23 needle tip inclination part, 100 fuel injection device.
Claims (6)
前記ノズルボディは、前記ニードル弁の先端との間で空間を形成するサック室と、
前記サック室の内壁面から前記ノズルボディの外壁面へ繋がり、前記サック室の内壁に噴孔と、を有し、
前記ニードル弁の先端は、前記サック室の入口側内壁に対して略平行な流れ制御部を備え、前記流れ制御部より先端側は先細り形状の先端傾斜部とされ、
閉弁時には前記流れ制御部と前記先端傾斜部との交点は前記サック室内に位置し、
前記噴孔は、入口側から出口側に向かって噴孔中心軸に対して垂直面内の面積が略一定であると共に、入口側から出口側に向かってノズル中心軸方向に沿った寸法が増加する形状とされていることを特徴とする燃料噴射装置。 A nozzle body and a needle valve disposed in the nozzle body,
The nozzle body forms a space with a tip of the needle valve;
The inner wall surface of the suck chamber is connected to the outer wall surface of the nozzle body, and the inner wall of the suck chamber has a nozzle hole,
The tip end of the needle valve includes a flow control portion substantially parallel to the inner wall on the inlet side of the suck chamber, and the tip end side of the flow control portion is a tapered tip end slope portion.
When the valve is closed, the intersection of the flow control unit and the tip end inclined portion is located in the suck chamber,
The injection hole has a substantially constant area in a plane perpendicular to the injection hole central axis from the inlet side to the outlet side, and the dimension along the nozzle central axis direction increases from the inlet side to the outlet side A fuel injection device characterized in that
閉弁時において、前記流れ制御部が前記ノズルボディのシート面を前記サック室の方向に延長した仮想面と交差する構成とされていることを特徴とする燃料噴射装置。 The fuel injection device according to claim 1,
A fuel injection system characterized in that, at the time of valve closing, the flow control unit intersects with a virtual surface which extends the seat surface of the nozzle body in the direction of the suck chamber.
前記噴孔の入口部の横断面積と出口部の横断面積の差は±２０％以内であることを特徴とする燃料噴射装置。 The fuel injection device according to claim 1 or 2, wherein
The difference between the cross sectional area of the inlet of the injection hole and the cross sectional area of the outlet is within ± 20%.
前記噴孔の入口部における前記ノズル中心軸方向に沿った長さＨ１とそれに直交する周方向の幅Ｗ１のアスペクト比（Ｗ１／Ｈ１）は０．６２以上であることを特徴とする燃料噴射装置。 The fuel injection device according to any one of claims 1 to 3, wherein
Aspect ratio (W1 / H1) of length H1 along the nozzle central axis direction and width W1 in the circumferential direction orthogonal to that at the inlet of the injection hole is 0.62 or more. .
前記ノズル中心軸方向への前記噴孔の広がり角（β）は７．５°以上であることを特徴とする燃料噴射装置。 The fuel injection device according to any one of claims 1 to 4, wherein
The spread angle (β) of the injection hole in the nozzle central axis direction is 7.5 ° or more.
前記流れ制御部と前記サック室の壁面との間の角度（ψ）は±１０°以内であることを特徴とする燃料噴射装置。
The fuel injection device according to any one of claims 1 to 5, wherein
The angle (装置) between the flow control unit and the wall surface of the suck chamber is within ± 10 °.
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Cited By (3)
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|---|---|---|---|---|
| WO2022163494A1 (en) * | 2021-01-29 | 2022-08-04 | 株式会社デンソー | Fuel injection valve |
| JP7432494B2 (en) | 2020-12-11 | 2024-02-16 | 株式会社クボタ | electronic fuel injection diesel engine |
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-
2017
- 2017-11-16 JP JP2017221075A patent/JP2019090388A/en active Pending
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