JP4205016B2 - Fuel injection mechanism for in-cylinder direct injection engine - Google Patents
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Description
この発明は、筒内直噴エンジンにおける燃料の燃料噴流への空気供給を促進する筒内直噴エンジンの燃料噴射機構に関するものである。 The present invention relates to a fuel injection mechanism for an in-cylinder direct injection engine that promotes air supply to a fuel jet of fuel in the in-cylinder direct injection engine.
従来技術ではノズル噴孔近傍にノズルよりの噴射拡散過程の燃料群を再捕捉し、空気との混合噴流を形成するためにノズルホルダー部により支持したベンチュリー状の口金部を設けてある。この口金部に噴射燃料群を流過させる過程において、燃料と空気との混合ならびに燃料への熱授受により、燃料噴流の活性化を図ることができる。噴孔を出た燃料噴流は燃焼室内の一部の空気を巻き込み膨張しつつベンチュリー状口金入口部に達し、口金入口部は案内壁に切線的に衝突し、口金内部で強制的に再集合することになる。口金部の絞り部においては、各噴流の剛性エネルギーは圧力より速度エネルギーに変換され、均等的密度分布形態で活性化の進行した単噴流が形成される。また、このようにして形成された単一の燃料噴流をさらに衝突拡散部に衝突させることも提案されている(例えば、特許文献1参照)。 In the prior art, a venturi-shaped cap portion supported by a nozzle holder portion is provided in the vicinity of the nozzle nozzle hole to recapture the fuel group in the process of injection diffusion from the nozzle and form a mixed jet with air. In the process of allowing the injected fuel group to flow through the base portion, the fuel jet can be activated by mixing the fuel and air and transferring heat to the fuel. The fuel jet exiting the nozzle hole reaches the venturi-shaped inlet entrance while expanding and entraining part of the air in the combustion chamber, and the inlet inlet collides with the guide wall in a straight line and forcibly reassembles inside the nozzle. It will be. In the constricted portion of the mouthpiece, the rigidity energy of each jet is converted into velocity energy from pressure, and a single jet having activated in a uniform density distribution form is formed. It has also been proposed that a single fuel jet formed in this way further collides with a collision diffusion part (see, for example, Patent Document 1).
このような従来の燃料噴射機構では、噴射流体の多くがベンチュリー状口金部の壁面に衝突するため、燃料の気化が促進される反面、運動エネルギーが減少してしまう。このために筒内直噴エンジンで多く行われる筒内空間が高圧となる圧縮過程での噴射では、噴射流体が筒内に十分広がらないという問題があった。また、気化していない噴射流体の一部は、衝突したベンチュリー状口金部の壁面に付着し、未燃焼ガスの発生や噴射特性に影響を与える壁面での炭素物析出の要因となるような問題があった。この問題は衝突拡散部を持つものではより大きかった。 In such a conventional fuel injection mechanism, since most of the injected fluid collides with the wall surface of the venturi-shaped base portion, vaporization of fuel is promoted, but kinetic energy is reduced. For this reason, in the injection in the compression process in which the in-cylinder space, which is often performed in the in-cylinder direct injection engine, becomes a high pressure, there is a problem that the injected fluid does not spread sufficiently in the cylinder. In addition, a part of the non-vaporized jet fluid adheres to the wall surface of the collided venturi-shaped base part, which may cause generation of unburned gas and carbon deposits on the wall surface that affect jet characteristics. was there. This problem was more severe with the collision diffusion part.
この発明の目的は、燃料噴流を構造物に衝突させることなく燃料噴流に空気を十分に供給して、燃料と空気との混合および燃料の蒸発を促進できる筒内直噴エンジンの燃料噴射機構を提供することである An object of the present invention is to provide a fuel injection mechanism for a direct injection engine in a cylinder that can sufficiently supply air to a fuel jet without causing the fuel jet to collide with a structure to promote mixing of the fuel and air and evaporation of the fuel. Is to provide
上記の課題を解決するために、この発明の筒内直噴エンジンの燃料噴射機構によれば、筒内直噴エンジンの燃焼空間に臨む燃料噴射弁の噴口近傍に設けられて、噴口から噴射される燃料噴流の側面を近接して離れて囲む内周面を持つダクトを備え、燃料噴流のダクトに関して上流側の空間の空気が、燃料噴流の流れにより、ダクト内に誘引されて燃料噴流に混合され、ダクトと上流側空間との間に、ダクトをダクトの周の部分的にだけ上流側空間に連通させる流路が設けられている。 In order to solve the above problems, according to the fuel injection mechanism for a direct injection engine of the present invention, the fuel injection mechanism is provided in the vicinity of the injection port of the fuel injection valve facing the combustion space of the direct injection engine, and is injected from the injection port. A duct having an inner peripheral surface that closely surrounds and separates the side surface of the fuel jet, and the air in the upstream space with respect to the fuel jet duct is attracted into the duct by the flow of the fuel jet and mixed with the fuel jet is, between the duct and the upstream space, that have passages for communicating the upstream space is provided only a duct partially circumferential duct.
この発明の筒内直噴エンジンの燃料噴射機構は、噴口から噴射される燃料噴流の側面を近接して離れて囲む内周面を持つダクトを備えており、燃料噴流のダクトに関して上流側の空間の空気が、燃料噴流の流れにより、ダクト内に誘引されて燃料噴流に混合されるようにしてあるので、燃料噴流への空気混入および燃料の蒸発を促進できる効果が得られる。 A fuel injection mechanism for a direct injection engine according to the present invention includes a duct having an inner peripheral surface that closely surrounds and separates a side surface of a fuel jet injected from an injection port, and a space upstream of the fuel jet duct. The air is attracted into the duct by the flow of the fuel jet and mixed with the fuel jet, so that the effect of promoting air mixing into the fuel jet and evaporation of the fuel can be obtained.
実施の形態1.
図1および図2は、この発明の実施の形態1における筒内直噴エンジンの燃料噴射機構を示すものであり、図1は筒内直噴エンジンの燃料噴射機構の部分だけ示す概略断面図である。図2は図1の筒内直噴エンジンの燃料噴射機構の噴口を示す拡大平面図である。
1 and 2 show a fuel injection mechanism of an in-cylinder direct injection engine according to
この発明の筒内直噴エンジンの燃料噴射機構は、シリンダヘッド1により一部が画定された燃焼空間2を有する筒内直噴エンジンと共に用いるものである。燃料噴射弁3はシリンダヘッド1の頂壁に取り付けられており、その噴口4は燃焼空間2に臨んでいて燃料を燃焼空間2内に噴射して燃料噴流5を形成することができる。図示の例では噴口4は図2に示されているように6個の小噴口17を持つものであり、小噴口17は中心6を持つ外接円7に接するように等間隔で円形に配列されている。噴口4が複数の小噴口17からなる場合にはその小噴口17の群の中心は中心6に整列して芯合わせされて配置される。
The fuel injection mechanism of a direct injection engine in a cylinder according to the present invention is used together with a direct injection engine having a
このような群となった噴口4から噴射された燃料は、それぞれの小噴口17からの噴射燃料がそれぞれ小噴口17によって定められる方向に噴射され、他の小噴口17からの噴射燃料および周囲の空気と混ざり合って、全体として図1に燃料噴流5として示すような噴口4の群から次第に広がる噴霧パターンとなる。このような噴霧パターンの燃料噴流5の外周面8は、噴口4が単一の場合も複数の場合も、噴口4から噴射されてから速度を失うまでの間は全体としてほぼ円錐型である。
The fuel injected from the
エンジンのシリンダヘッド1の頂壁には、平坦な円板状の隔壁9が全外周に亘る溶接等により固着されている。隔壁9は燃焼火炎の熱を直接受けるが、この熱はシリンダヘッド1を介して外部に放熱される。隔壁9は、燃料噴射弁3の軸方向に燃料噴射弁3から比較的小さな所定の距離Aだけ離れて設けられている。
A flat disk-
隔壁9の中央には燃料噴射弁3の噴口4の中心6に軸整列した円形開口であるダクト10が設けられていて、噴口4からの燃料噴流5がダクト10を通り抜けて燃焼空間2内に供給されるようにしてある。ダクト10は、隔壁9の開口の縁部分であって、噴口4から噴射される燃料噴流5の外周面8を近接して離れて囲む内周面を持つ環状の部分である。
In the center of the
また、円板状の隔壁9は、ダクト10の部分を除いてシリンダ内を実質的に区切って、隔壁9の下方の燃焼空間2と隔壁9の上方の頂壁で囲まれた空間11とを形成している。この空間11は、燃料噴流5の流れの方向に見てダクト10の上流側にあるので上流側空間11であり、またダクト10は隔壁9によりシリンダヘッド1に対して支持されている。従って、隔壁9は、ダクト10を支持し、上流側空間11を燃焼空間2から実質的に区画している。
The disk-
ダクト10は、噴口4側の入口部12と、内周面13と、出口部14とを有する円筒形あるいは環状の部材であって、図示の例では隔壁9の開口の縁部分である。隔壁9は、燃料噴射弁3から所定の距離Aだけ離れて設けられていて、隔壁9には円形開口であるダクト10が設けられているので、隔壁9の開口即ちダクト10には、ダクト10をダクト10の全周に亘って上流側空間11に連通させる流路15が設けられている。ダクト10の直径は噴口4の群の外接円7の直径よりも大きく、内周面13が図1に示されているように、燃料噴流5の側面即ち外周面8を近接してはいるが、離れて接触しないように囲んでいる。このようにして、燃料噴流5がダクト10を通り抜ける際に、上流側空間11の空気が燃料噴流5の流れにより巻き込まれてダクト10内に誘引されるようにしてある。
The
図1および図2において、燃料噴射弁3の噴口4から燃料噴流5が噴射されるまでは、隔壁9により形成された上流側空間11と燃焼空間2とは、円形開口であるダクト10によって完全に連通されているため、双方の圧力は同じである。この状態から噴口4から燃料噴流5が噴射され、燃料噴流5がダクト10を通り抜けて燃焼空間2に流れると、ダクト10内に存在していた空気は燃焼空間2に押し出される。即ちダクト10内に存在していた空気に速度エネルギーが与えられる。
1 and 2, until the
連続した流体の場合、ベルヌーイの定理によりその流体のどの部分においても圧力エネルギーと速度エネルギーと位置エネルギーとの合計が常に一定となる。位置エネルギーが流体のどの部分でもほとんど同じであれば、噴射により速度エネルギーが与えられダクト10から燃焼空間2に押し出される空気と、速度エネルギーを殆ど持たない上流側空間11内の空気と、同じく速度エネルギーを殆ど持たない元々燃焼空間2内にあった空気とでは、ダクト10から燃焼空間2に押し出される空気だけが小さい圧力エネルギーを持つことになる。即ちダクト10から燃焼空間2に押し出される空気の圧力は、隔壁9により区切られた上流側空間11内に存在する空気や燃焼空間2の空気に比べて低くなる。
In the case of a continuous fluid, the sum of pressure energy, velocity energy, and potential energy is always constant in any part of the fluid according to Bernoulli's theorem. If the potential energy is almost the same in any part of the fluid, the velocity energy is given by the injection and pushed out from the
その結果、ダクト10に向けて周辺の空気が流れ込むことになるが、本発明の燃料噴射機構の構造では燃料噴流5が燃焼空間2に向かって拡散しながら噴射されるため、殆どの空気は隔壁9により形成された上流側空間11から燃料噴射弁3と隔壁9との間の流路15を通ってダクト10の入口部12に流れ込む。
As a result, ambient air flows toward the
上流側空間11から空気がダクト10内に流れ込む際、燃料噴射弁3と隔壁9とで形成された隙間である流路15を通過するが、この隙間の大きさ(距離A)の調節などにより流路15の大きさを調節して、燃料噴流5に適度に空気を衝突させ、あるいは燃料噴流5の近傍に空気を供給することで、空気を燃料噴流5に巻き込ませることができる。このように燃料噴流5のエネルギーにより燃料噴流5への空気の自給が成立する。
When air flows into the
上述のように、この発明の筒内直噴エンジンの燃料噴射機構によれば、燃料噴流5への空気の巻き込みや空気の衝突により、燃料噴流5の液体成分の分裂や蒸発が促進され、蒸発した燃料噴流5と空気が適度に混合した混合気を短時間で得ることができる。
As described above, according to the fuel injection mechanism of the direct injection engine of the present invention, the entrainment and evaporation of the liquid components of the
また、ダクト10は、その直径を噴口4の外接円7の直径よりも大きくしてあり、内周面13が燃料噴流5の外周面8を近接しているが離れて囲んでいて燃料噴流5に接触しないようにしてある。従って、燃料噴射弁3から噴射された燃料噴流5は隔壁9に衝突せず、燃料噴流5の速度の低減、流れ方向の変化、燃料付着が発生しない。また、上流側空間11からダクト10への流路15はダクト10の全周に亘って開口しており、ダクト10への空気の流れ込みが全周でほぼ均等になる。このように、燃料噴流5の全体的または局所的な変形や方向変化などへの影響が回避され、燃料噴流5への空気混入と燃料の蒸発促進の効果が得られる。
The
実施の形態2.
図3に示す筒内直噴エンジンの燃料噴射機構に於いては、ダクト10の燃料噴射弁3側の前縁、即ち入口部12の口唇部の表面が、丸くされて、そこから空気の剥離を防ぐのに充分な大きさの曲率半径を持っている。また、ダクト10の内周面13が、図1に示すものよりも延長されていてほぼ円錐面とされ、燃料噴流5のパターンの外周面8の一部にほぼ沿って延びており、外周面8に対して近接しているが離間して設けられている。その他の構成は先のものと同様である。
In the fuel injection mechanism of the direct injection engine shown in FIG. 3, the front edge of the
このように入口部12の口唇部が丸めて曲線で形成されているので、空気が上流側空間11からダクト10内に滑らかに流れ込むことができ、抵抗が減少し、多量の空気を効率よく供給することができる。また、ダクト10を燃料噴流5に沿ってテーパーした形としてあるので、燃料噴流5に対して作用する抵抗が減少するため、燃料噴流5のパターンの変形や進行方向変化などの特性に与える影響を抑えることができる。
Since the lip portion of the
実施の形態3.
図4に示す筒内直噴エンジンの燃料噴射機構に於いては、ダクト10を上流側空間11に連通させるために、ダクト10と上流側空間11との間に、ダクト10の周方向の部分的にだけ開いた複数の流路16が設けられている。このような流路16は、ダクト10である隔壁9の円形の開口の縁から立ち上がって、燃料噴射弁3に向かって延び、燃料噴射弁3に接し、全体としてほぼ環状をなすように配置された複数の円筒部分壁18の間に形成されている。また、燃料噴射弁3の噴口4が図2に示すものと同様の複数の小噴口17を備えたものであるが、この複数の流路16はこれら小噴口17に対して燃料噴射弁3の径方向に実質的に対面した位置にある。その他の構成は先のものと同様である。円筒部分壁18は隔壁9側でなく、燃料噴射弁3側に設けても良い。
In the fuel injection mechanism of the direct injection engine shown in FIG. 4, a circumferential portion of the
図4において、燃料噴射弁3は複数の小墳口17を有する例えばマルチホールインジェクタと呼ばれるものであって、燃料噴流5に空気を自給する動力は燃料噴流5に導かれた空気が高速で流れることで生じる周囲空気との圧力差である。したがって圧力差は小噴口17ごとに分かれた各燃料噴流5近傍に対して発生する。
In FIG. 4, the
圧力差が生じる部分、即ち小噴口17の位置に合わせてダクト10への流路16を設けると、空気は破線矢印で示すように隔壁9で形成された上流側空間11から小墳口17に向けてより円滑に供給される。また、空気が流路16を通過する際その流路が絞られるため空気の流速が高くなる。その結果空気は燃料噴流5により強く衝突して燃料噴流5の内部深くにまで浸透するほか、燃料噴流5の燃料分子の分裂や蒸発を促進する。なおダクト10を通る燃料噴流5の流れ作用により、隔壁9によって形成された上流側空間11内の空気が燃料噴流5に供給されるメカニズムは実施の形態1に関連して説明したものと同様である。
When the
なお、ここでは複数の小墳口17を有する例えばマルチホールインジェクタと呼ばれる燃料噴射弁3を例に説明したが、噴口4が単一であっても、噴口4が偏って配置された燃料噴射弁や噴口断面形状がおよそ円形ではない燃料噴射弁に対しても同様の効果を供することができる。
Here, the
実施の形態4.
図5に示す筒内直噴エンジンの燃料噴射機構に於いては、図4の流路16を形成する円筒部分壁18と同様の円筒部分壁19が設けられていて、複数の流路20が形成されている。これら流路20は、小噴口17ではなく、小噴口17と小噴口17との間の空間に対して、燃料噴射弁3の径方向に実質的に対面した位置に設けられていて、空気を小噴口17の間の空間に向けて上流側空間11から空気を供給するものである。その他の構成は先のものと同様である。
In the fuel injection mechanism of the direct injection engine shown in FIG. 5, a cylindrical
図5において、燃料噴流5の作用により、隔壁9によって形成された上流側空間11の空気が、破線矢印で示すように燃料噴流5に供給される動作は実施の形態1あるいは実施の形態3のものと同じであるが、この構成では隔壁9によって形成された上流側空間11から噴口4に向けて流れる大きな速度の空気が燃料噴流5に直接衝突することがないため、燃料噴流5のパターン形状や方向を変化させることなく燃料噴流5への空気の混入と燃料の蒸発促進の効果が得られる。
In FIG. 5, the operation of supplying the air in the
実施の形態5.
図6に示すこの発明の筒内直噴エンジンの燃料噴射機構に於いては、隔壁9が、ダクト10から離れた位置に別の開口部である吸気口21を備えており、隔壁9によって区画された上流側空間11に燃焼空間2を連通させて、燃焼空間2からこの吸気口21を通して上流側空間11に空気を補給できるようにしてある。その他の構成は先のものと同様である。
In the in-cylinder direct injection engine fuel injection mechanism of the present invention shown in FIG. 6, the
図6において、燃料噴流5の流れ作用により上流側空間11の空気が流路15を通してダクト10内の燃料噴流5に供給される動作は、先に説明した実施の形態1のものと同じである。燃料噴流5の近傍と上流側空間11との間の圧力差により空気の流れが発生すると、上流側空間11内の空気が排出されて圧力が次第に低下し、燃料噴流5の近傍に対する圧力差が次第に小さくなろうとする。しかしながらこの実施の形態では、隔壁9のダクト10から離れた位置に別の開口部である吸気口21が設けられているので、燃焼空間2の圧力と隔壁9で形成された上流側空間11の圧力とを常に等しく保つことができる。その結果、上流側空間11の空気の圧力は低下せず、空気供給量は低下しない。更に、上流側空間11の容積を機関の1行程の燃料噴射に必要な空気量以下に抑えることができるので、機関の圧縮比を低下させることなく燃料噴流5への空気混入と燃料の蒸発促進の効果が得られる。
In FIG. 6, the operation of supplying the air in the
このような吸気口21は図6に示すように一個であっても良いし、円形の隔壁9の中心型に対して等距離に複数個設けても、対称に複数個設けても良いし、吸気口21の形状や寸法も様々なものを使用できる。
Such an
実施の形態6.
図7に示す筒内直噴エンジンの燃料噴射機構に於いては、ダクト10を支持して上流側空間11を区画するほぼカップ形の隔壁22が、燃料噴射弁3をシリンダヘッド1に取り付けるための支持部材23に溶接等により固着されている。支持部材23は、内部に燃料噴射弁3を収納して保持するほぼ円筒形の部材であり、その外周面でシリンダヘッド1により強固に支持されている。隔壁22は、円形の開口部であるダクト10を全周に亘って支持する円板部24と、円板部24の外周縁から軸方向に立ち上がった円筒部25とを備えており、円筒部25で燃料噴射弁支持部材23に固着されている。このような隔壁22と支持部材23との間には、燃料噴流5の流れの方向に見てダクト10の上流側に上流側空間26が形成されている。その他の構成は先のものと同様である。
Embodiment 6 FIG.
In the fuel injection mechanism of the direct injection engine shown in FIG. 7, a substantially cup-shaped
図7において燃料噴流5の流れ作用により隔壁22によって形成された上流側空間26の空気が燃料噴流5に供給される動作はこれまでに説明したのと同様である。燃料噴射弁支持部材23が、シリンダヘッド1に着脱可能なものである場合には、燃料噴射弁3と噴口4とダクト10との位置関係を正確に設定して組み立ててから、その組立体をシリンダヘッド1に搭載することが可能であり、組み立てが正確かつ容易になる。また例えばこれまでに説明した様々な実施の形態と組み合わせることもできる。
In FIG. 7, the operation of supplying the air in the
隔壁22は燃焼火炎の熱を直接受けるが、隔壁22が燃料噴射弁支持部材23に熱的に接合されているため、この熱は燃料噴射弁支持部材23とシリンダヘッド1とを介してエンジン冷却水(図示せず)により冷却される。
The
実施の形態7.
図8に示す筒内直噴エンジンの燃料噴射機構に於いては、ダクト10を支持する隔壁27が直接燃料噴射弁3に溶接等により固着されている。隔壁27はその一端が燃料噴射弁3の先端部の外周部に固着されていて、他端には隔壁27よりも僅かに径方向内側に突出した環状の部分であるダクト10が支持されている。ダクト10は燃料噴射弁3の噴口4から噴射された燃料噴流5の外周を近接してはいるが離間して囲んでいる。このようにして円筒形の隔壁27は、燃料噴流5の流れの方向に見てダクト10よりも上流側の上流側空間28を、燃焼空間2から区画している。なお、隔壁27の縁でダクト10が形成されてさえいれば、径方向内側に突出した部分はなくてもよい。
Embodiment 7 FIG.
In the fuel injection mechanism of the direct injection engine shown in FIG. 8, the
このような筒内直噴エンジンの燃料噴射機構に於いては、上流側空間28の空気がダクト10を通る燃料噴流5に供給される動作はこれまでに説明したものと同じであるが、燃料噴射弁3と、噴口4と、ダクト10との位置関係を正確に設定して組立てからシリンダヘッド1に搭載することが可能であり、組立てが正確かつ容易となる。
In such a fuel injection mechanism of a direct injection engine, the operation in which the air in the
これまでに説明した様々な実施の形態および変形例は、いずれも燃料噴流を構造物に衝突させることなく燃料噴流に空気を十分に供給して、燃料と空気との混合および燃料の蒸発を促進できる筒内直噴エンジンの燃料噴射機構を提供するものであるが、これらの実施の形態および変形例を様々に組合せても同様の効果を得ることができる。 In the various embodiments and modifications described so far, the air is sufficiently supplied to the fuel jet without colliding the fuel jet against the structure to promote the mixing of the fuel and the air and the evaporation of the fuel. The present invention provides a fuel injection mechanism for an in-cylinder direct injection engine, but the same effects can be obtained by variously combining these embodiments and modifications.
1 シリンダヘッド、 2 燃焼空間、 3 燃料噴射弁、 4 噴口、 5 燃料噴流、 8 外周面、 9、22、27 隔壁、 10 ダクト、 11、26、28 上流側空間、 12 入口部、 13 内周面、 15、16、20 流路、 17 小噴口、 21 吸気口、 23 支持部材。
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