JP5627743B1 - Fluid injection valve and spray generating device - Google Patents
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Abstract
【課題】流体噴霧の微粒化と、噴霧形状、貫徹力、噴射量分布、噴霧方向の設計自由度向上とを両立させた燃料噴射弁を得る。【解決手段】この発明の流体噴射弁1では、各スイッチング噴霧32Aは、アクシス−スイッチング現象が生じる、時間的タイミング、スイッチング噴孔12Bからの距離が異なる。各非スイッチング噴孔12Aからの各非スイッチング噴霧30Aは、各スイッチング噴霧32Aがアクシス−スイッチング現象が生じた後に、これらのスイッチング噴霧32Aと、これらのスイッチング噴霧32Aと隣接した非スイッチング噴霧30Aとがコアンダ効果により集合して各集合噴霧50−1〜50−5が形成される。これらの各集合噴霧50−1〜50−5は、連鎖して全体噴霧60が形成される。【選択図】図9A fuel injection valve that achieves both atomization of fluid spray and improvement in design flexibility in spray shape, penetration force, injection amount distribution, and spray direction is obtained. In the fluid injection valve 1 of the present invention, each switching spray 32A is different in time timing and distance from the switching nozzle hole 12B in which an axis-switching phenomenon occurs. Each non-switching spray 30A from each non-switching nozzle hole 12A includes the switching spray 32A and the non-switching spray 30A adjacent to the switching spray 32A after each switching spray 32A has undergone an axis-switching phenomenon. Collective sprays 50-1 to 50-5 are formed by the Coanda effect. These collective sprays 50-1 to 50-5 are linked to form the entire spray 60. [Selection] Figure 9
Description
この発明は、複数の各噴孔から各噴流が噴射されて、下流において各噴霧となって、全体噴霧が形成される流体噴射弁、及びその流体噴射弁が用いられた噴霧生成装置に関するものである。 The present invention relates to a fluid injection valve in which each jet is jetted from a plurality of nozzle holes to form each spray downstream to form an overall spray, and to a spray generating apparatus using the fluid injection valve. is there.
近年、自動車などの車両用エンジンにおいては、燃料噴霧の微粒化などによるエンジン冷機時の排出ガス低減や、燃焼性改善などによる燃費向上の研究開発が積極的に進められている。 2. Description of the Related Art In recent years, in automobile engines such as automobiles, research and development for reducing exhaust gas when the engine is cold due to atomization of fuel spray and improving fuel efficiency by improving combustibility have been actively promoted.
例えば、各噴孔からの噴霧が干渉しないように配置の工夫を行い、微粒化を促進するとともに、噴射量分布の偏りを低減できるとした燃料噴射弁が知られている(特許文献1参照)。 For example, a fuel injection valve is known in which the arrangement is devised so that the spray from each nozzle hole does not interfere, the atomization is promoted, and the deviation of the injection amount distribution can be reduced (see Patent Document 1). .
また、各噴霧の干渉を回避して微粒化を図りつつ、かつ、各噴霧のコアンダ効果により互いに引き合いながら進むので噴霧の進行方向のバラツキを防止できるとした燃料噴射弁が知られている(特許文献2参照)。 In addition, there is known a fuel injection valve that can prevent variation in the traveling direction of the spray because it proceeds while attracting each other due to the Coanda effect of each spray while avoiding interference between the sprays (patent) Reference 2).
また、各噴霧が下流で成す噴霧パターンを円環状やC字状として吸気弁の中心やステムに燃料噴霧が衝突付着しないようにした燃料噴射弁が知られている(特許文献3参照)。 There is also known a fuel injection valve in which the spray pattern formed downstream of each spray is annular or C-shaped so that fuel spray does not collide and adhere to the center or stem of the intake valve (see Patent Document 3).
しかしながら、上記特許文献1のものでは、噴霧が干渉するのを避けたに過ぎず、従って複数の噴霧から形成される噴霧パターンや全体噴霧の形状は幾何学的に考えれば必然的に拡がり気味となってその設計自由度は小さいものとなり、適用できる吸気ポート形状や吸気弁配置などに制約が生じる。
また、微粒化して混合気形成を促進させたり、噴霧貫徹力を小さくして吸気ポート内での噴霧付着を抑制したりするためには、各噴霧を拡げて微粒化させる必要があり、更に全体噴霧は拡がってしまう。
また、噴孔を内側にも配置して噴射量分布の偏りを低減したとあるが、内側に噴孔が配置されていない場合に比べて相対的にそのように言えるだけであり、各々の噴孔からの独立した液柱噴流が干渉を避けながら微粒化して、偏りが低減した噴射量分布になる方策についての説明がないので、適用できる吸気ポート形状や吸気弁配置などが不明である。
つまり、噴孔を内側にも配置して各噴霧を近接させ、噴射量分布の偏りを低減しようとすると、各噴霧間には自動的にコアンダ効果が作用して各噴霧の集合化が始まり、下流での噴射方向の横断面の噴射量分布は略中心がピークの円錐状となる一つの集合噴霧となってしまい、この全体噴霧としての噴霧角は比較的小さなものになることは、市場で使用されている燃料噴射弁の特性や公知文献から明らかである。
逆に、コアンダ効果による各噴霧の集合化を抑制するためには、隣り合う噴霧間に一定の距離(噴霧条件や雰囲気条件によって変化する)を確保することが必要となり、前述したように拡がった全体噴霧しか実現できなくなる。
However, in the thing of the said
Moreover, in order to promote atomization by promoting atomization and to reduce spray penetration force and to suppress spray adhesion in the intake port, it is necessary to expand and atomize each spray. The spray spreads.
In addition, although the injection holes are arranged on the inner side to reduce the deviation of the injection amount distribution, it can be said relatively as compared with the case where the injection holes are not arranged on the inner side. Since there is no description about a measure that causes an independent liquid column jet from the hole to be atomized while avoiding interference, resulting in an injection amount distribution with reduced bias, the applicable intake port shape, intake valve arrangement, etc. are unknown.
In other words, when the spray holes are also arranged on the inner side to bring the sprays close to each other and try to reduce the deviation of the spray amount distribution, the Coanda effect automatically acts between the sprays, and the assembly of the sprays begins. The injection amount distribution in the cross section in the downstream injection direction becomes one collective spray that has a substantially conical shape with a peak at the center, and the spray angle as a whole spray is relatively small in the market. It is clear from the characteristics of the fuel injection valve used and the known literature.
On the other hand, in order to suppress the aggregation of each spray due to the Coanda effect, it is necessary to ensure a certain distance between adjacent sprays (which varies depending on the spray conditions and atmospheric conditions). Only whole spraying can be realized.
上記特許文献2のものでは、各噴霧の干渉を回避して微粒化を図りつつ、かつ、各噴霧のコアンダ効果により互いに引き合いながら進むので噴霧の進行方向のバラツキを防止できるとしている。
しかし、各噴霧が広がり過ぎないようにコアンダ効果を作用させ、かつ一方では各噴霧が集まらないようにコアンダ効果を抑制するというような噴霧方向のバランス維持は、静的な雰囲気条件下でも難しく、ましてや吸気ポート内では周囲空気圧力・温度、吸気流動、噴霧体積(重量)流量、噴霧速度などの影響も受けるため、過渡運転時の非定常状態の多いガソリンエンジン用の噴射系システムで実現するのは非常に難しい。
つまり、コアンダ効果の作用が強くなれば、各噴霧は集合してコンパクトになり、噴射方向の横断面の噴射量分布は略中心がピークの円錐状となるのが通常であり、逆にコアンダ効果の抑制が働けば、各噴霧は下流になるに連れて離れてしまい、全体として非常に広角な噴霧流となってしまうのが通常である。
その結果、全体噴霧の噴霧形状や噴霧パターン、噴射量分布は、各噴孔の主たる軸の方向あるいは各噴流の主たる噴射方向の設定に応じて成り行きとなっていた。
In the thing of the said patent document 2, since it progresses while attracting each other by aiming at atomization avoiding interference of each spray and coanda effect of each spray, it is supposed that the dispersion | variation in the advancing direction of spray can be prevented.
However, it is difficult to maintain the balance of the spray direction such that the Coanda effect acts so that each spray does not spread too much, and on the other hand the Coanda effect is suppressed so that each spray does not collect, even under static atmospheric conditions, In addition, it is affected by ambient air pressure and temperature, intake air flow, spray volume (weight) flow rate, spray speed, etc. in the intake port, so it can be realized with an injection system for a gasoline engine with many unsteady states during transient operation. Is very difficult.
In other words, if the action of the Coanda effect is strengthened, the sprays gather and become compact, and the injection amount distribution in the cross section in the injection direction is usually conical with a peak at the center. If this suppression works, each spray is usually separated as it goes downstream, and as a whole, it becomes a very wide-angle spray flow.
As a result, the spray shape, spray pattern, and injection amount distribution of the entire spray are in accordance with the setting of the main axis direction of each nozzle hole or the main injection direction of each jet.
上記特許文献3のものでは、各噴孔(各噴霧)の方向を設定して、吸気弁の位置における噴霧パターンを吸気弁形状に応じた円環状あるいはC字状としているだけであって、幾何学的な検討に過ぎない。
実際には、隣り合う各噴霧同士のコアンダ効果や、全体噴霧が中空状となることによる内外圧力差に伴うすぼみ効果の影響を考慮しないと、円環状やC字状の噴霧パターンを実現維持することはできない。
つまり、各噴霧が集合して一つの中実噴霧になってしまったり、逆に、噴霧集合を回避するために大きな拡がりの全体噴霧になってしまったりするわけである。また、微粒化を実現するために各噴霧が干渉しないようにしたとあるが、上記噴霧パターンを同時に実現する手段が明確でない。
In the above-mentioned Patent Document 3, the direction of each nozzle hole (each spray) is set, and the spray pattern at the position of the intake valve is merely an annular shape or a C shape corresponding to the shape of the intake valve. It is only a scientific study.
Actually, an annular or C-shaped spray pattern is realized and maintained without considering the Coanda effect between adjacent sprays and the effect of the sag effect due to the pressure difference between the inside and outside of the entire spray. It is not possible.
In other words, the sprays gather to form one solid spray, or conversely, to avoid the spray gathering, the spray spreads to a large extent. Moreover, although it has been said that each spray does not interfere in order to realize atomization, means for simultaneously realizing the spray pattern is not clear.
以上、上記引用文献1,2,3のものでは、噴霧の微粒化向上と、噴霧形状、噴霧パターン、噴霧の貫徹力や噴射量分布の設計自由度向上を両立させる方策が示されておらず、従ってエンジン仕様毎に吸気ポート形状や吸気流動が異なるという実情の中で、より最適な噴霧仕様を決めるための指針とはなっていないという問題点があった。
また、吸気ポート内の空気流を吸気制御弁などのメカニカルな手段によって変更して、その空気流によって噴霧の方向を1回だけ変更して、吸気ポート内壁面への噴霧付着を抑制するアイデアもあるが、全体として曲率をもった吸気ポートや3次元的に曲がった吸気ポートなどでは噴霧の方向を複数回変更する必要があるので、これに適用することは不可能であった。
As described above, the above cited
There is also an idea that the air flow in the intake port is changed by mechanical means such as an intake control valve, and the spray direction is changed only once by the air flow to suppress the adhesion of the spray to the inner wall surface of the intake port. However, since it is necessary to change the spray direction a plurality of times in the intake port having a curvature as a whole or the intake port bent in three dimensions, it has been impossible to apply this.
この発明は、かかる問題点を解決することを課題とするものであって、流体噴霧の微粒化と、噴霧形状、貫徹力、噴射量分布、噴霧方向の設計自由度向上とを両立させた、流体噴射弁、及びその流体噴射弁が用いられた噴霧生成装置を提供することを目的としている。 The present invention aims to solve such problems, and has made both atomization of fluid spray and spray shape, penetration force, injection amount distribution, and improvement in design freedom in the spray direction compatible. It is an object of the present invention to provide a fluid injection valve and a spray generation device using the fluid injection valve.
この発明に係る流体噴射弁は、流体が流れる流体通路の途中に設けられた弁座と、この弁座との離間、当接により前記流体通路の開閉を制御する弁体と、前記弁座の下流に設けられ、複数の噴孔を有する噴孔体と、を備え、
複数の各前記噴孔から各噴流が噴射されて生じた各噴霧から下流において全体噴霧が形成される流体噴射弁であって、
各前記噴霧は、噴射方向に直角な面内の断面形状が長軸と短軸の長さとが異なる複数のスイッチング噴霧を含み、
各前記噴孔は、下流において前記長軸及び前記短軸の方向が変化して変形する前記スイッチング噴霧を生じさせるスイッチング噴孔を少なくとも二つ含み、
各前記スイッチング噴霧の少なくとも一つは、前記長軸及び前記短軸の方向が変化する、時間的タイミング、前記噴孔からの距離が他のスイッチング噴霧と異なり、
各前記スイッチング噴霧の前記長軸及び前記短軸の方向が変化した後に、これらのスイッチング噴霧と、これらのスイッチング噴霧と隣接した各前記噴霧とがコアンダ効果により集合して各集合噴霧が形成され、これらの集合噴霧が連鎖して前記全体噴霧が形成される。
A fluid injection valve according to the present invention includes a valve seat provided in the middle of a fluid passage through which a fluid flows, a valve body that controls opening and closing of the fluid passage by separation and contact with the valve seat, A nozzle hole body provided downstream and having a plurality of nozzle holes,
A fluid injection valve in which an overall spray is formed downstream from each spray generated by each jet flow being ejected from each of the plurality of nozzle holes,
Each of the sprays includes a plurality of switching sprays in which a cross-sectional shape in a plane perpendicular to the injection direction has different major and minor axes,
Each said injection hole includes at least two switching injection hole causing said switching spraying the direction of the long axis and the short axis in the downstream to varying turned into deformation,
At least one of each of the switching sprays is different from other switching sprays in terms of time timing, distance from the nozzle hole , in which the direction of the major axis and the minor axis changes .
After the direction of the major axis and the minor axis of each of the switching sprays is changed , these switching sprays and the respective sprays adjacent to these switching sprays are aggregated by the Coanda effect to form each collective spray, These collective sprays are linked to form the entire spray.
この発明に係る流体噴射弁によれば、各噴孔は、下流において長軸及び短軸の方向がアクシス−スイッチング現象により変化して変形するスイッチング噴霧を生じさせるスイッチング噴孔を少なくとも二つ含み、各前記スイッチング噴霧の少なくとも一つは、前記アクシス−スイッチング現象が生じる、時間的タイミング、前記噴孔からの距離が他のスイッチング噴霧と異なり、各前記スイッチング噴霧の前記アクシス−スイッチング現象の後に、これらのスイッチング噴霧と、これらのスイッチング噴霧と隣接した各前記噴霧とがコアンダ効果により集合して各集合噴霧が形成され、これらの集合噴霧が連鎖して全体噴霧が形成される。
従って、流体噴霧の微粒化と、噴霧形状、貫徹力、噴射量分布、噴霧方向の設計自由度向上とを両立させることができる。
According to the fluid injection valve according to the present invention, each nozzle hole includes at least two switching nozzle holes that generate switching sprays in which the directions of the major axis and the minor axis are changed due to the axis-switching phenomenon in the downstream, At least one of the switching sprays is different from other switching sprays in terms of time timing, distance from the nozzle hole, in which the axis-switching phenomenon occurs, and after the axis-switching phenomenon of each switching spray, these These switching sprays and each of the sprays adjacent to these switching sprays are aggregated by the Coanda effect to form each collective spray, and these collective sprays are linked to form an overall spray.
Therefore, it is possible to achieve both atomization of the fluid spray and improvement in the degree of freedom in design of the spray shape, penetration force, spray amount distribution, and spray direction.
以下、この発明の各実施の形態について図に基づいて説明するが、各図において同一、または相当部材、部位については同一符号を付して説明する。
実施の形態1.
図1は燃料噴射弁1を示す断面図、図2は図1の燃料噴射弁1の先端部を示す拡大図である。
この燃料噴射弁1は、内燃機関の吸気管に取り付けられ、先端部が内燃機関の吸気ポート内に臨んでおり、下方に向けて燃料を噴射するようになっている。
燃料噴射弁1は、電磁力を発生するソレノイド装置2と、このソレノイド装置2への通電により作動する弁装置7とを備えている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the drawings, the same or equivalent members and parts will be described with the same reference numerals.
FIG. 1 is a cross-sectional view showing the
The
The
ソレノイド装置2は、磁気回路のヨーク部分をなすハウジング3と、このハウジング3の内側に設けられた固定鉄心であるコア4と、このコア4を囲ったコイル5と、このコイル5の内側に設けられ往復移動する可動鉄心であるアマチュア6とを備えている。
弁装置7は、円筒形状であってコア4の先端部の外径部に圧入、溶接された弁本体9と、この弁本体9の内部に設けられた弁座10と、弁座10の下流側に設けられた噴孔プレート11と、弁座10の内部で噴孔プレート11の上流に設けられたカバープレート18と、弁本体9の内側に設けられた弁体8と、弁体8の上流に設けられた圧縮バネ14とを備えている。
The solenoid device 2 includes a housing 3 that forms a yoke portion of a magnetic circuit, a core 4 that is a fixed iron core provided inside the housing 3, a coil 5 that surrounds the core 4, and an inner side of the coil 5. And an
The valve device 7 has a cylindrical shape, a
弁体8は、アマチュア6の内面に圧入、溶接された中空のロッド8aと、このロッド8aの先端部に溶接で固定されたボール13とを有している。
ボール13は、燃料噴射弁1のZ軸に平行な面取り部13aと、カバープレート18と対向した平面形状の平面部13bと、弁座10と線接触する曲面部13cとを有している。
噴孔プレート11は、周縁部が下側に折曲されており、弁座10の先端面及び弁本体9の内周側面に溶接されている。噴孔プレート11には板厚方向に貫通する断面が円形状の複数の噴孔12が形成されている。
The valve body 8 has a
The
The
図3は図2のJ矢視による噴孔プレート11の平面図である。
噴孔プレート11には、複数の噴孔12が周方向に沿って等間隔で円形状に配設されている。
各噴孔12は、燃料噴射弁1の中心軸線がエンジンの吸気弁に指向し、かつ図3の左右で互いに交差する2方向に向かう噴孔群に分れており、所謂2スプレーの噴霧形態が形成される。
各噴孔12は、真円の非スイッチング噴孔12Aと、長円形状のスイッチング噴孔12Bとの2種類で構成されている。
スイッチング噴孔12Bは、長円の長軸が、非スイッチング噴孔12Aの中心を結ぶピッチ円に対して直交する方向にあり、非スイッチング噴孔12A及びスイッチング噴孔12Bは、スイッチング噴孔12Bからの噴霧と、非スイッチング噴孔12Aからの噴霧とが、後述するアクシス−スイッチング現象が生じる前にはコアンダ効果により集合しない範囲の距離にそれぞれ設定されている。
FIG. 3 is a plan view of the
In the
Each
Each
The switching
次に、上記燃料噴射弁1の動作について説明する。
内燃機関の制御装置(図示せず)より燃料噴射弁1の駆動回路に動作信号が送られると、燃料噴射弁1のコイル5に電流が通電され、アマチュア6は、コア4側へ吸引される。
この結果、アマチュア6と一体構造であるロッド8a及びボール13は、圧縮バネ14の弾性力に逆らって上方向に移動し、ボール13の曲面部13cが弁座面10aから離間し両者に間隙が形成されて燃料流路が形成され、吸気ポートに指向した燃料噴射が開始する。
Next, the operation of the
When an operation signal is sent from a control device (not shown) of the internal combustion engine to the drive circuit of the
As a result, the
一方、内燃機関の制御装置より燃料噴射弁1の駆動回路に動作の停止信号が送られると、コイル5への通電が停止し、アマチュア6がコア4側に吸引される力は消失し、ロッド8aは、圧縮バネ14の弾性力によって弁座10側に押され、曲面部13cと弁座面10aとは閉じ状態となり、燃料噴射は、この時点で終了する。
On the other hand, when an operation stop signal is sent from the control device of the internal combustion engine to the drive circuit of the
ここで、例えば縮流によって噴孔12A、スイッチング噴孔12B内の流れを液膜流とする噴孔プレート11とカバープレート18、及び弁座10、ボール13の詳細な位置、構造につき、図2、図4及び図5の各詳細断面図を用いて説明する。
Here, for example, the detailed positions and structures of the
燃料は、弁体8の開弁時においてボール13の面取り部13aと弁座10の内面との間のZ軸に平行な通路から、曲面部13cと弁座面10aとの間を下流へ向かい、シート部R1に至る。
シート部R1の上流では燃料がZ軸に平行に流れるため、燃料は、シート部R1を通過した後においては慣性により弁座面10aに沿う流れが主流となり、弁座面10aの下流端の点P1に達する。点P1は弁座面10aの終端であり、弁座10は、点P1から下流側は垂直方向に延びた面を有している。
従って、燃料の主流は、点P1から剥離する。弁座面10aの延長線は、カバープレート18の周側面と点P2で交わっており、点P1から剥離した燃料は、点P2に向かい環状通路C(弁座10の内周壁面とカバープレート18の大径部の周側面との間)を通過して、径方向に大幅な進路変更を伴わずに径方向通路B(弁座10の内周壁面とカバープレート18の小径部の周側面との間)に流入する。
From the passage parallel to the Z axis between the chamfered
Since the fuel flows parallel to the Z-axis upstream of the seat portion R1, the fuel mainly flows along the
Therefore, the main flow of fuel is separated from the point P1. The extension line of the
上記によりシート部R1を通過する燃料の主流は、環状通路Cに流入するため、隙間通路A(ボール13の底面とカバープレート18の天面との間)への流入は抑制される。
シート部R1と噴孔12の入口の点R2とを直線で結んだ線は、カバープレート18の大径部である薄肉部18bで交叉しており、薄肉部18bは、シート部R1から噴孔12の入口への燃料の直線的な流入を遮っている。
As described above, the main flow of the fuel passing through the seat portion R1 flows into the annular passage C, so that the inflow into the clearance passage A (between the bottom surface of the
A line connecting the sheet portion R1 and the point R2 at the entrance of the
このため、非スイッチング噴孔12A、スイッチング噴孔12Bに流入する燃料の少なくとも一部は、径方向通路Bに沿う流れとなる。カバープレート18は、この終端面18dが噴孔12よりも内径側で噴孔12に近接して配置されている。従って、径方向通路Bに沿って内径側に向かう燃料の正面流れイ(図5参照)は、燃料噴射弁1のZ軸から噴孔12に流入する戻り流れロ(図5参照)の流路を閉塞させ、戻り流れロの速度を低下させる。
戻り流れロが抑制されることで、シート部R1側から噴孔12に流入する正面流れイの速度が相対的に強められる。
正面流れイの少なくとも一部が径方向通路Bに沿って進行した後に非スイッチング噴孔12A、スイッチング噴孔12B内で大幅な方向変化を強制されること、及び正面流れイが高速であることにより、燃料は、噴孔12の断面において、燃料噴射弁1のZ軸側の非スイッチング噴孔12A、スイッチング噴孔12Bの壁面に強く押し付けられる。
なお、図4において、Lは非スイッチング噴孔12A、スイッチング噴孔12Bの長さ、Dは非スイッチング噴孔12A、スイッチング噴孔12Bの径を示している。
For this reason, at least a part of the fuel flowing into the
By suppressing the return flow b, the speed of the front flow a flowing into the
Because at least a part of the front flow a travels along the radial passage B, a large direction change is forced in the
In FIG. 4, L represents the length of the
この後、非スイッチング噴孔12A、スイッチング噴孔12Bの入口では、低速な戻り流れロは、噴孔12の壁面に沿って流れαを形成し、高速な正面流れイは、燃料を壁面に押し付ける燃料流βを形成する。
空気は、非スイッチング噴孔12A、スイッチング噴孔12Bの出口から非スイッチング噴孔12A、スイッチング噴孔12Bの入口付近に導入され、燃料流βに作用して、点Q(噴孔12の燃料入口の外側の縁部)を起点とした燃料流βの剥離を生じさせる。
燃料流βは、非スイッチング噴孔12A、スイッチング噴孔12B内を進行するに伴い、壁面に押し付けられ、液膜の方向は、非スイッチング噴孔12A、スイッチング噴孔12Bの壁面の円周方向に広がりつつ非スイッチング噴孔12A、スイッチング噴孔12Bの壁面に沿う方向に変化していく。
隙間通路Aの高さhに対して非スイッチング噴孔12A、スイッチング噴孔12Bの長さLが適切であると、非スイッチング噴孔12A、スイッチング噴孔12B内で薄い液膜流1aの状態まで押し付けられる。
そして、噴射された燃料の液膜流1aは、所定の距離を経て分裂を開始し、液糸の状態を経るなどして微粒化された液滴が生成される。
Thereafter, at the inlets of the
Air is introduced from the outlets of the
As the fuel flow β travels in the
When the length L of the
The
なお、微粒化のプロセスにおいて、液滴を小さくするためにはその分裂の前段階である液糸を細くするのが有効である。そのためには、液糸の分裂の前段階である液膜を薄くしたり液柱を細くしたりするのが有効であり、液膜のほうがより液柱よりも有利であることが従来の知見で分かっている。
そこで、この他に、噴孔に流入する前の燃料流に旋回流を与えて噴孔内に液膜流を形成するなどいろいろな液膜流形成手法が提案されている。
In the atomization process, in order to reduce the size of the droplet, it is effective to make the liquid yarn, which is the previous stage of the breakup, thin. For this purpose, it is effective to make the liquid film, which is the previous stage of the splitting of the liquid yarn, thinner or thinner, and the conventional knowledge is that the liquid film is more advantageous than the liquid column. I know.
In addition to this, various liquid film flow forming methods have been proposed, such as forming a liquid film flow in the nozzle hole by giving a swirling flow to the fuel flow before flowing into the nozzle hole.
ところで、本願発明者は、これらの液膜流形成手法や微粒化プロセスと、それらをベースとして複数噴霧が集合した集合噴霧の噴霧形状、貫徹力、噴射量分布の出来映えの関係を調査検討した結果、単噴霧が集合した集合噴霧において、次の二つの形態に分けられることを見出した。
即ち、各単噴霧が識別可能であり、かつ各単噴霧の特徴がほぼ識別不可能な集合噴霧(つまり、比較的均質に近い中実構造の集合噴霧)となるか、あるいは各単噴霧の識別さえも不可能となる集合噴霧(噴射量分布が中心ピークの円錐形状となるものを代表例とする集合噴霧)となるか、に分けられることを見出した。
後者は、複数の単噴霧が集合してほぼ元の形態とは異なる新しい一つの集合噴霧に置き換わっており、非常に特徴的で安定した現象である。前者は、各単噴霧を識別可能と言いつつも、集合噴霧と共通的な特徴を示す噴霧となっており、つまり中途半端なコントロールし難い噴霧であると言える。
これらのどちらの形態になるかは、噴霧挙動がある閾値のどちらにあるかによるところが大きく、単噴霧の集合化が進んだ集合噴霧になるほど噴射量分布は軸対称に近づき、また鋭角な円錐形状となる。つまり、全体噴霧としての貫徹力が増大する。
従って、前者であっても、噴霧方向に直角な面内の噴霧形状、噴射量分布がおおよそ軸対称のようになり、その断面形状を所謂異形とすることは難しかった。
このため、ほとんどの通路断面が所謂異形形状である吸気ポートや吸気弁近辺への付着を抑制する噴霧ターゲティング(噴射位置、噴射方向、噴霧仕様)の設定は不十分なものであった。
By the way, the inventor of the present application has investigated and investigated the relationship between these liquid film flow forming methods and atomization processes, and the spray shape, penetration force, and injection amount distribution of the collective spray in which a plurality of sprays are gathered based on them. In the collective spray in which the single sprays are gathered, it was found that the spray can be divided into the following two forms.
That is, each single spray is identifiable and the characteristics of each single spray are almost indistinguishable (that is, a collective spray with a solid structure that is relatively homogeneous), or each single spray is identified. It has been found that it can be divided into whether or not it is a collective spray (a collective spray in which the injection amount distribution has a conical shape with a central peak).
The latter is a very characteristic and stable phenomenon in which a plurality of single sprays are aggregated and replaced with a single new collective spray that is almost different from the original form. The former can be said to be a spray that shows characteristics common to the collective spray, that is, each spray can be identified, that is, a spray that is halfway and difficult to control.
Which of these forms will depend largely on whether the spray behavior is at a certain threshold, the injection amount distribution becomes closer to axisymmetric as the aggregation of single sprays progresses, and the sharp cone shape It becomes. That is, the penetration force as a whole spray increases.
Therefore, even in the former case, the spray shape in the plane perpendicular to the spray direction and the injection amount distribution are approximately axisymmetric, and it is difficult to make the cross-sectional shape so-called irregular.
For this reason, the setting of spray targeting (injection position, injection direction, spray specification) that suppresses adhesion to the vicinity of the intake port or intake valve, in which most passage sections are so-called irregular shapes, has been insufficient.
前述したようないろいろな微粒化手法が燃料噴射弁に適用されつつあるが、もともと微粒化のために小噴孔径にして多噴孔化する技術の流れにあり、隣り合う噴孔からの噴流が干渉して微粒化状態が悪化しないような配慮がなされている。
つまり、噴孔中心軸線あるいは噴流方向が下流になるほど離れていくように、噴孔配置と噴孔諸元(径、傾き、長さ等)、あるいは噴流配置と噴流方向はなされており、微粒化とコンパクトな噴霧という要件を両立させることは難しかった。
また、吸気弁近辺への噴霧衝突軽減や、空気との混合促進などを目的として、噴霧の貫徹力を所定距離のところで急速に減衰させる案も考えられるが、噴霧形態を大きく変えずに実現する手段がなかった。
Various atomization techniques as described above are being applied to fuel injection valves. Originally, there is a trend in the technology of making multiple injection holes with small diameters for atomization, and jets from adjacent injection holes Consideration is made so that the atomized state does not deteriorate due to interference.
In other words, the nozzle hole arrangement and nozzle specifications (diameter, inclination, length, etc.) or the nozzle arrangement and jet direction are made so that the nozzle hole center axis or jet direction becomes farther downstream. It has been difficult to satisfy both the requirements of compact spraying.
In addition, there is a plan to rapidly attenuate the penetration force of the spray at a predetermined distance for the purpose of reducing the spray collision near the intake valve and promoting the mixing with the air, but this is realized without greatly changing the spray form. There was no means.
ポート噴射システムにおいては、吸気ポートへの燃料付着は、なんら良い影響、効果はなく、これを抑制することが最大の課題である。
従って、噴霧が吸気弁や吸気弁近傍の吸気ポートに付着する率を低減するために微粒化を向上させても、噴霧全体が広がった結果、噴霧側面が別の吸気ポート部分に付着するためにポート噴射システムとしてのメリットはなかなか見出せなかった。
つまり、各液膜流の方向を広角に設定して微粒化を促進させても、あるいは、微粒化噴霧外周に大きな巻き上がりを生じさせて噴霧形態を大きく変えて貫徹力を抑制しても、結果的には広角噴霧となって吸気弁や吸気ポートとの干渉を引き起こして燃料が付着することになる。
In the port injection system, the fuel adhesion to the intake port has no positive influence or effect, and it is the biggest challenge to suppress this.
Therefore, even if the atomization is improved in order to reduce the rate at which the spray adheres to the intake valve or the intake port near the intake valve, the entire spray spreads, resulting in the spray side surface adhering to another intake port part. I couldn't find any merit as a port injection system.
That is, even if the direction of each liquid film flow is set to a wide angle to promote atomization, or even if the spray form is greatly changed by causing a large hoisting around the atomization spray outer periphery, the penetration force is suppressed, As a result, wide-angle spraying occurs, causing interference with the intake valve and intake port, and fuel adheres.
一方、噴霧全体の広がりを抑制しているものでは、噴孔中心軸線あるいは噴流方向が、噴孔直下で互いに交差するような噴孔配置と噴孔諸元、あるいは噴流配置と噴流方向にするものが知られているものの、液膜流れのブレーク長さ(噴孔出口から液膜流の破断や分裂を経て実質的に噴霧流と見なせるようになる状態の位置までの長さ)との関係など微粒化の要件を考慮したものは知られていない。 On the other hand, in the case where the spread of the entire spray is suppressed, the nozzle hole center axis or jet direction is such that the nozzle hole arrangement and the nozzle hole specifications intersect with each other immediately below the nozzle hole, or the jet arrangement and jet direction. Although it is known, the relationship with the break length of the liquid film flow (the length from the nozzle hole outlet to the position where it can be regarded as a spray flow substantially through breakage and splitting of the liquid film flow) No one has taken into account the requirements for atomization.
また、噴霧全体の広がりを抑制しようとした場合には、垂直線(図1 Z軸)に対する噴孔中心軸線の角度は相対的に小さくなり、薄い液膜流形成には不利であり、従って微粒化プロセスが遅くなって噴流同士の干渉になり易くなり、微粒化レベルを期待値通りに実現できなかった。
さらに、この場合、複数噴霧の集合が進んで、所謂「学術文献5」(日本機械学会論文集(第2部) 25巻156号pp820−826「ディーゼル機関燃料噴霧の到達距離に関する研究」(和栗ら))に記載の噴霧形態に近い噴霧形態となることによって、単噴霧の場合の貫徹力よりも集合噴霧の貫徹力のほうが大きくなっていた。
In addition, when trying to suppress the spread of the entire spray, the angle of the central axis of the nozzle hole with respect to the vertical line (Z axis in FIG. 1) becomes relatively small, which is disadvantageous for forming a thin liquid film flow. The atomization process slowed down and the jets were likely to interfere with each other, and the atomization level could not be achieved as expected.
Further, in this case, the assembly of a plurality of sprays progresses, so-called “Academic Literature 5” (The Japan Society of Mechanical Engineers, Vol. 25, No. 156, pp 820-826 “Research on the reach of diesel engine fuel spray” (Waguri And so on), the penetration force of the collective spray was larger than the penetration force in the case of a single spray.
ここで、本願発明者は、噴孔が一つの単噴霧の挙動と、複数噴孔からの複数の単噴霧の挙動の差に注目し、これらの噴霧挙動と、流体工学における知見であるアクシス−スイッチング(axis−switching)現象を巧妙に組み合わせることで全体噴霧の形状、貫徹力、噴射量分布、噴霧方向をコントロールする手法を見出した。 Here, the inventor of the present application pays attention to the difference between the behavior of a single spray with a single nozzle hole and the behavior of a plurality of single sprays from a plurality of nozzle holes. We have found a technique to control the shape, penetration force, spray distribution, and spray direction of the entire spray by skillfully combining the switching phenomena.
ここで、アクシス−スイッチング現象に関しては、下記の学術文献にその知見が示されている。
[学術文献1]日本機械学会論文集(B編)55巻514号 pp1542−1545,「非円形噴流中の渦構造に関する研究」(豊田他)
[学術文献2]ILASS−Europe 2010,”An experimental investigation of discharge coefficient and cavitation length in the elliptical nozzles”(Sung Ryoul Kim )
[学術文献3]生産研究 50巻1号 pp69−72,”Numerical Simulation of Complex Turbulent Jets:Origin of Axis−Switching”(Ayodeji O.DEMUREN)
[学術文献4]噴流工学 森北出版 pp41−42
Here, the knowledge about the axis-switching phenomenon is shown in the following academic literature.
[Academic Literature 1] Proceedings of the Japan Society of Mechanical Engineers (B) Vol. 55, No. 514, pp1542-1545, "Study on vortex structure in non-circular jet" (Toyota et al.)
[Academic Reference 2] ILASS-Europe 2010, “An experimental investigation of discharge coefficient and cavitation length in the elliptical nozzles” (Sung Ryoul Kim)
[Academic Reference 3]
[Academic Literature 4] Jet Engineering Morikita Publishing pp41-42
このアクシス−スイッチング現象は、噴流の研究分野においては、噴霧の断面形状が長円形状である、この実施の形態の例にとどまらず、少なくとも長円の短軸に対して長軸がほぼ線対称である形状のものであればよく、また液体に限らず気体でも成立する。
長短軸比が大きい断面が長円状の噴霧の場合、長軸方向が分断しない範囲で、長短軸方向が変化して変形するように噴孔諸元を設定すればよい。
そのために、この実施の形態では、噴霧の長短軸方向を変化させる角度を略90度となるようにした。
In the field of jet research, this axis-switching phenomenon is not limited to the example of this embodiment in which the cross-sectional shape of the spray is an ellipse, and at least the major axis is almost line-symmetric with respect to the minor axis of the ellipse. As long as it has a shape, it is not limited to liquid but can be gas.
In the case of spray having an elliptical cross section with a long / short axis ratio, the nozzle hole specifications may be set so that the long / short axis direction changes and deforms within a range in which the long axis direction is not divided.
Therefore, in this embodiment, the angle for changing the major and minor axis directions of the spray is set to approximately 90 degrees.
図1に示された燃料噴射弁1は、本願発明者が全体噴霧の形状、貫徹力、噴射量分布、噴霧方向をコントロールする手法を見出し、実現したものであり、図6は燃料噴射弁1の非スイッチング噴霧30A,31Aの挙動を示す説明図、図7は燃料噴射弁1の非スイッチング噴霧30A、及びスイッチング噴霧32Aの挙動の基本パターンを示す説明図である。
この燃料噴射弁1では、非スイッチング噴霧30Aと、スイッチング噴霧32Aとのコアンダ効果により、集合噴霧50が形成される。
非スイッチング噴霧30Aは、非スイッチング噴孔12Aから噴射された噴流30が下流で生成されたものであり、スイッチング噴霧32Aは、スイッチング噴孔12Bから噴射された長円状の噴流32が下流において長軸と短軸との方向がアクシス−スイッチング現象により変化するものである。
The
In this
In the
図6(a)は、仮に非スイッチング噴孔12A同士が隣接した場合の各噴流30,31、各非スイッチング噴霧30A,31Aの挙動を示している。
非スイッチング噴孔12Aからの噴流30に、液膜流の破断や分裂を経て実質的に噴霧流と見なせるようになる状態のブレークが生じたときの噴流断面形状は、断面E−Eに示す形状である。
このときの非スイッチング噴孔12Aと断面E−Eとの間の距離aをブレーク長さとする。この距離aの位置では、既に両噴流30,31の隙間c1はコアンダ効果が生じる閾値よりも小さくなっている。
引き続き、噴流30,31は、ばらけて単一の非スイッチング噴霧30A,31Aとなり、非スイッチング噴孔12Aから距離bの位置で二つの非スイッチング噴霧30A,31Aは、その外径が接し始める(断面F−F)。
同時に、断面F−Fから、圧力分布に起因して二つの単一の非スイッチング噴霧30A,31A間に働くコアンダ効果によって単一の非スイッチング噴霧30A,31Aは接近して断面G−Gのように集合化が進む。それと同時に、非スイッチング噴霧30A,31Aの周囲空気の巻き込みと、それによる非スイッチング噴霧30A,31A内の略中心部分の下流への流れ方向に沿った空気流の誘起を生じさせる。
つまり、仮に噴流30と噴流31、あるいは非スイッチング噴霧30Aと非スイッチング噴霧31Aとが各々アクシス−スイッチング現象を生じる素性を保有しているとしても、アクシス−スイッチング現象が生じる前に、断面E−Eの位置において噴流30と噴流31、あるいは非スイッチング噴霧30Aと非スイッチング噴霧31Aとの間にコアンダ効果が作用して接近し始めるようにしてある。
FIG. 6A shows the behavior of the
The cross-sectional shape of the jet flow when a break in a state in which the
A distance a between the
Subsequently, the
At the same time, from the cross-section FF, the single
That is, even if the
なお、周囲空気の巻き込みレベルは、単一の非スイッチング噴霧30A,31Aを集合した集合噴霧40の全体の形状を大きく変化させるレベルではなく、「学術文献6」(日本機学会論文集(B編)62巻599号pp2867−2873「ディーゼル噴霧構造に与える雰囲気粘性の影響」(段ら))に記載のFig.12(a)レベルあるいは微小噴霧粒子のみが(b)レベルである。
条件が整えば、図6(a)の断面G−Gの集合噴霧40の状態から、さらに二つの単一の非スイッチング噴霧30A,31Aの集合化が進み、断面H−Hのように実質的にほぼ一つの中実の集合噴霧40とみなせるようになる。
The ambient air entrainment level is not a level that greatly changes the overall shape of the
If the conditions are adjusted, the assembly of two single
図6(b)において、周囲空気の巻き込み状況を多くの渦状の矢印ヘで、分かり易いように誇張して示してある。
従って、ここでは渦状の矢印ヘの大きさや個数は、その実態を表すものではない。
また、噴霧内所定部分の下流への流れ方向に沿った空気流Vを誘起している。
その結果、F1−F1、G1a−G1a、G1b−G1b、H1−H1における噴射量分布は図6(b)の右側の図のように次第に略中心ピークに近づいていくことになる。
一方、図7は、図3において非スイッチング噴孔12Aとスイッチング噴孔12Bとが隣り合わせている場合の各噴流、各噴霧の挙動を示している(図3の矢視ハから視た場合)。
In FIG. 6 (b), the surrounding air is entrained by many spiral arrows for easy understanding.
Accordingly, here, the size and number of the spiral arrows do not represent the actual state.
Further, the air flow V is induced along the flow direction downstream of the predetermined portion in the spray.
As a result, the injection amount distribution in F1-F1, G1a-G1a, G1b-G1b, and H1-H1 gradually approaches a substantially central peak as shown on the right side of FIG. 6 (b).
On the other hand, FIG. 7 shows the behavior of each jet and each spray when the
この実施の形態では、仮に非スイッチング噴孔12Aからの噴流30,31とスイッチング噴孔12Bからの噴流32にブレークが生じる位置をほぼ同じとしてブレーク長さを距離aとすると、これらの断面形状は、図7(b)の断面E−Eに示す形状となる。
この噴流32は、ばらけてスイッチング噴霧32Aとなり、図7(b)から分かるように、この断面形状が長円状のスイッチング噴霧32Aは、その長軸方向と非スイッチング噴霧30Aとがほぼ対向して配置されている。
このスイッチング噴霧32Aは、非スイッチング噴霧30Aと対向しつつ、その断面形状が若干拡大(長軸及び短軸の両方向)していきながらも、ほぼスイッチング噴孔12Bの直下での初期の流れ方向を維持してそのまま下流に流れる。
そして、スイッチング噴孔12Bから所定の長さの位置で、スイッチング噴霧32Aの長短軸方向が変化する変形が生じ始める(断面J−J)。なお、この位置では、スイッチング噴霧32Aと非スイッチング噴霧30Aとの隙間c2はコアンダ効果が生じる閾値よりも大きく、コアンダ効果は生じていない。
In this embodiment, assuming that the positions at which breaks occur in the
The
While this switching
And the deformation | transformation from which the major-short axis direction of switching
断面J−Jから断面K−Kへと下流になるにつれて、スイッチング噴霧32Aの長短軸方向が変化する変形が進んで、スイッチング噴霧32Aと非スイッチング噴霧30Aが近接化してくる。
これは、スイッチング噴霧32Aの長短軸方向が切り替わることによってスイッチング噴霧32Aと非スイッチング噴霧30Aの隙間が小さくなっていくこと、それに伴ってスイッチング噴霧32Aと非スイッチング噴霧30Aとの間にコアンダ効果が生じることによる。
この時の両噴霧32A,30Aの隙間c3はコアンダ効果が生じるための閾値よりも小さくなっている。
なお、コアンダ効果が生じる、スイッチング噴霧32Aと非スイッチング噴霧30Aとの隙間の閾値は、各噴霧の流速、微粒化レベル、粒子数密度、雰囲気圧力などによって変化する。
そして、断面L−Lではスイッチング噴霧32Aと非スイッチング噴霧30Aとの向かい合う端部が変形(移動)して干渉し始める。
その結果、断面M−Mのように、燃料噴射後の所定時期で、非スイッチング噴孔12A、スイッチング噴孔12Bからの所定距離の位置において、スイッチング噴霧32Aと非スイッチング噴霧30Aとが集合した集合噴霧50が形成される。
この集合噴霧50は、スイッチング噴霧32A及び非スイッチング噴霧30Aの各特性を変更することで、その形状や貫徹力、噴射量分布等を変更することができ、それらの自由度が向上する。
As the cross section JJ moves downstream from the cross section KK, the deformation in which the long and short axis directions of the switching
This is because the gap between the switching
The gap c3 between the
In addition, the threshold value of the gap between the switching
In the cross-section L-L, the facing ends of the switching
As a result, as shown in the cross-section MM, a set of the switching
By changing the characteristics of the switching
また、スイッチング噴霧32Aは、その長短軸方向が変化して変形することによって周囲空気との運動量交換が大きく進み、貫徹力が小さくなるので、非スイッチング噴霧30Aと干渉することで、非スイッチング噴霧30Aの各粒子や各粒子に引きずられている空気流の動きに抑制がかかり、非スイッチング噴霧30Aの貫徹力も抑制される。
従って、非スイッチング噴霧30Aが単独の場合には、図7(a)の想像線ニに示すように、その先端は延びるのに対して、スイッチング噴霧32Aとの干渉によって非スイッチング噴霧30Aの先端は短縮される。つまり、非スイッチング噴霧30Aの貫徹力も抑制できることになる。
Further, the switching
Therefore, when the
さらに、スイッチング噴霧32Aは、貫徹力が小さくなって周囲空気との混合が大幅に進むことによって微粒化も向上し、非スイッチング噴霧30Aの微粒化レベルとの差が小さくなる。
つまり、非スイッチング噴孔12A、スイッチング噴孔12Bからある程度下流の所定位置において、微粒化されて、断面が非円形形状(非対称形状)の集合噴霧50を形成することができる。
Further, the switching
That is, it is possible to form an
図7において、スイッチング噴孔12Bを利用しなかった場合、隣り合う噴霧の近接化はもっと下流にならないと始まらず、場合によっては集合化には至らない。従って、各噴霧は拡がり続けるとともに、貫徹力は低下しない。その結果、噴霧が保有する運動量はなかなか空気流に移動せず、微粒化も不十分となる。
In FIG. 7, when the switching
図7において、非スイッチング噴孔12Aの代わりにスイッチング噴孔12Bを用い、隣り合う噴霧が両方ともスイッチング噴霧32Aとした場合は、その長軸方向を例えば略平行に対向するように設定すれば、アクシス−スイッチング現象によって長軸同士が長手方向に繋がることを利用して図7(a),(b)と同様の挙動を作り出すことができる。
なお、図7(a),(b)では、一つの非スイッチング噴霧30Aと一つのスイッチング噴霧32Aとの組み合わせで集合噴霧50が形成されたが、この組み合わせに限定されるものではない。例えば、二つの非スイッチング噴霧30Aと一つのスイッチング噴霧32Aとの組み合わにより集合噴霧が形成されてもよいし、隣接した二つの非スイッチング噴霧30A同士で集合噴霧が形成されてもよい。
In FIG. 7, when the switching
In FIGS. 7A and 7B, the
ここで、スイッチング噴霧32Aは、その長短軸方向が変化して変形する前に、非スイッチング噴霧30Aとの間でのコアンダ効果が作用することを次の方法を採用することで確実に抑制することができる。
即ち、非スイッチング噴孔12A、スイッチング噴孔12Bから主たる流れ方向に同じ距離の位置において、スイッチング噴霧32Aの平均粒径を非スイッチング噴霧30Aの平均粒径よりも大きくする方法、あるいはスイッチング噴霧32Aのブレーク長さを非スイッチング噴霧30Aのブレーク長さよりも長くする方法、さらにはスイッチング噴霧32Aの貫徹力を非スイッチング噴霧30Aの貫徹力よりも大きく設定する方法を採用すればよい。
これは、スイッチング噴霧32Aと非スイッチング噴霧30Aとの特性に差を設けて、コアンダ効果が生じるタイミングを遅らせることを意味している。
Here, the switching
That is, at a position at the same distance in the main flow direction from the
This means that a difference is provided in the characteristics of the switching
これらの方法を実現するにあたって、例えば非スイッチング噴孔12Aとスイッチング噴孔12Bとの噴孔形状の違いによって、縮流のレベルや方向を異ならせること等を利用すればよい。
つまり、例えば縮流のレベルや方向を異ならせた場合、噴孔12内での圧力損失(噴流速度)、噴流30,32の断面積、噴流30,32の断面形状、噴流の配置/方向などを異ならせることが可能となり、上記のコアンダ効果が生じる噴霧32A,30A間の隙間の閾値を変更することが可能となるからである。
In realizing these methods, for example, it may be used to change the level and direction of the contracted flow depending on the shape of the nozzle holes of the
That is, for example, when the level and direction of the contracted flow are changed, the pressure loss (jet velocity) in the
図8は図3に示した噴孔プレート11の各非スイッチング噴孔12A、スイッチング噴孔12Bから噴射されて形成された、二つの中空円環状の全体噴霧60のうち、一方の全体噴霧60を示す図である。
FIG. 8 shows one
全体噴霧60は、各スイッチング噴霧32A及び非スイッチング噴霧30Aの組み合わせで形成された各集合噴霧50−1〜50−5が互いに連鎖して形成される。
各集合噴霧50−1,50−2,50−3,50−4,50−5を形成するに当り、各スイッチング噴霧32A及び非スイッチング噴霧30Aのそれぞれの噴射量、断面積、噴射方向及び微粒化レベルの各々をそれぞれ調整することで、各スイッチング噴霧32Aがアクシス−スイッチング現象を生じて非スイッチング噴霧30Aとのコアンダ効果により集合するタイミングをずらすことが可能となる。
また、スイッチング噴霧32Aは、その長短軸方向が変化して変形することによって周囲空気との運動量交換が大きく進み、貫徹力が小さくなり、非スイッチング噴霧30Aと干渉することで、非スイッチング噴霧30Aも各粒子や各粒子に引きずられている空気流の動きに抑制がかかり、貫徹力が抑制される。
これにより、各集合噴霧50−1,50−2,50−3,50−4,50−5の貫徹力に分布が生じる。その結果、各集合噴霧50−1,50−2,50−3,50−4,50−5は、下流に進むに従って漸次あるいは段階的に偏向される。
The
In forming the collective sprays 50-1, 50-2, 50-3, 50-4, and 50-5, the spray amount, the cross-sectional area, the spray direction, and the fine particles of the switching
Further, the switching
Thereby, distribution arises in the penetration force of each collective spray 50-1,50-2,50-3,50-4,50-5. As a result, each of the collective sprays 50-1, 50-2, 50-3, 50-4, 50-5 is deflected gradually or stepwise as it proceeds downstream.
要は、これらの集合噴霧50−1,50−2,50−3,50−4,50−5の流れ方向、形状変化は、それぞれの運動量の分布によって決定される。
つまり、集合噴霧50−1,50−2,50−3,50−4,50−5の流れに直角方向の断面において運動量分布に差があれば、断面内において貫徹力に差が生じ、その結果貫徹力の低下が小さい部位は、集合噴霧50−1,50−2,50−3,50−4,50−5を牽引してその方向を変化させ、貫徹力の低下が大きい部位は、貫徹力の低下が小さい部位に引きずられる形で追随する。
In short, the flow direction and shape change of these collective sprays 50-1, 50-2, 50-3, 50-4, 50-5 are determined by the respective momentum distributions.
That is, if there is a difference in the momentum distribution in the cross section perpendicular to the flow of the collective sprays 50-1, 50-2, 50-3, 50-4, 50-5, a difference occurs in the penetration force in the cross section. As a result, the portion where the decrease in penetration force is small, pulls the collective sprays 50-1, 50-2, 50-3, 50-4, 50-5 and changes its direction. Follows in a form where the penetrating force is lowered by a small part.
図9は図8の矢印ヘから全体噴霧60を視たときの図、即ち燃料噴射弁1のZ軸に対して垂直方向に視たときの図である。
図9(a)〜図9(d)は、全体噴霧60に至るまでの集合噴霧50−1〜50−5の時系列を示している。
スイッチング噴孔12Bから所定の位置で、最初に左端のスイッチング噴霧32Aにアクシス−スイッチング現象が生じて、その後一番近接している非スイッチング噴霧30Aとの間にコアンダ効果が作用し、両噴霧32A,30Aは、さらに接近し干渉して集合噴霧50−2が形成される。なお、アクシス−スイッチング噴霧32Aと非スイッチング噴霧30Aとは紙面厚さ方向に並んでいるので、一方の噴霧32A,30Aしか見えない(図9(a)参照)。
次に、時間的タイミング遅れを伴った後に、別のスイッチング噴霧32Aにアクシス−スイッチング現象が生じて、一番近接している非スイッチング噴霧30Aとの間にコアンダ効果が作用して両噴霧32A,30Aは更に接近し干渉して集合して集合噴霧50−3が形成される。
この間に、運動量のかなりの割合が空気に移動して貫徹力が大きく低下した集合噴霧50−2は、運動量を保持して貫徹力があまり低下していない集合噴霧50−3に引きずられて進み、やがて集合噴霧50−2と集合噴霧50−3とは連結される。なお、紙面厚さ方向において集合噴霧50−3と重なって見えていない集合噴霧50−1についても集合噴霧50−3と同様にして形成される(図9(b)参照)。
引き続き、集合噴霧50−4,50−5についても、集合噴霧50−1〜50−3と同様の
各スイッチング噴霧32A及び非スイッチング噴霧30Aの挙動により形成される(図9(c)、図9(d)参照)。
FIG. 9 is a view when the
FIGS. 9A to 9D show a time series of the collective sprays 50-1 to 50-5 up to the
At a predetermined position from the switching
Next, after a time timing delay, an axis-switching phenomenon occurs in another switching
During this time, the collective spray 50-2, in which a significant proportion of the momentum has moved to the air and the penetrating force has been greatly reduced, is dragged to the collective spray 50-3 that has maintained the momentum and the penetrating force has not decreased so much. Eventually, the collective spray 50-2 and the collective spray 50-3 are connected. The collective spray 50-1 that does not overlap with the collective spray 50-3 in the thickness direction of the paper is also formed in the same manner as the collective spray 50-3 (see FIG. 9B).
Subsequently, the collective sprays 50-4 and 50-5 are also formed by the behaviors of the switching
即ち、各非スイッチング噴孔12A、スイッチング噴孔12Bから噴射された、非スイッチング噴霧30A、スイッチング噴霧32Aにより、各集合噴霧50−1,50−2,50−3,50−4,50−5は、時間的ずれ、各非スイッチング噴孔12A及びスイッチング噴孔12Bからの距離、及び方向を変えて形成されている。
なお、図示していない他方の全体噴霧についても、非スイッチング噴霧30A及びスイッチング噴霧32Aの挙動により、図8の全体噴霧60と同様の全体噴霧が形成される。
That is, the collective sprays 50-1, 50-2, 50-3, 50-4, 50-5 are generated by the
For the other whole spray not shown, a whole spray similar to the
従って、スイッチング噴霧32A及び非スイッチング噴霧30Aの個別仕様の設定と、これらの噴霧32A,30Aの組み合わせや配置によって、種々の略中空状の全体噴霧60の仕様を実現することが可能となる。
言い換えれば、噴流工学における特徴的な現象を巧妙に利用することにより、従来の円形噴孔をベースとした噴孔径、噴孔テーパ度合い、噴孔長さ/噴孔径の比などの組み合わせでは実現できない噴霧を可能としたものである。
Therefore, various specifications of the generally hollow
In other words, by skillfully utilizing the characteristic phenomena in jet engineering, it cannot be realized by a combination of the conventional circular nozzle hole-based nozzle hole diameter, nozzle hole taper degree, nozzle hole length / hole diameter ratio, etc. Spraying is possible.
なお、ポート噴射の場合、ブレーク長さaから下流の噴霧粒子の数密度は、ガソリン筒内噴射用噴霧やディーゼル用噴霧に比べると極めて低く(ガソリン筒内噴射用噴霧の約1/10、ディーゼル用噴霧の約1/100以下のレベル)、基本的には同様の方向に同様の速度で移動しているために、粒子同士の衝突合体はほとんどないと考えてよい。
また、ポート噴射の場合の燃圧0.3MPaレベルでは、粒子単独からの分裂も生じていないと考えてよい。
In the case of port injection, the number density of spray particles downstream from the break length a is extremely low compared to gasoline in-cylinder spray or diesel spray (about 1/10 of gasoline in-cylinder spray, diesel It is considered that there is almost no collision coalescence between particles because they are basically moving in the same direction and at the same speed.
Further, at the fuel pressure level of 0.3 MPa in the case of port injection, it may be considered that no splitting from particles alone has occurred.
以上のようにこの発明の実施の形態1の燃料噴射弁1によれば、各スイッチング噴霧32Aは、アクシス−スイッチング現象が生じる、時間的タイミング、スイッチング噴孔12Bからの距離が異なり、各スイッチング噴霧32Aのアクシス−スイッチング現象が生じた後に、各スイッチング噴霧32Aは、スイッチング噴霧32Aと隣接した非スイッチング噴霧30Aとコアンダ効果により集合して各集合噴霧50−1〜50−5が形成され、これらの各集合噴霧50−1〜50−5が連鎖して全体噴霧60が形成されるようになっている。
従って、通常の多噴孔噴霧で形成される全体噴霧では得られない、噴霧形状、貫徹力、噴射量分布、噴霧方向を実現することが可能となり、噴霧仕様の設計自由度を大幅に向上させることができる。
これにより、全体噴霧60が下流で吸気弁や吸気ポート壁面に衝突するのを従来のものと比較して大幅に抑制することができる。
また、各集合噴霧50−1〜50−5における運動量に分布を設けることで、各集合噴霧50−1,50−2,50−3,50−4,50−5は、下流に進むに従って簡単に漸次あるいは段階的に偏向される。
As described above, according to the
Therefore, it is possible to realize the spray shape, penetration force, injection amount distribution, and spray direction, which cannot be obtained with the whole spray formed by ordinary multi-hole spray, and greatly improve the design freedom of spray specifications. be able to.
Thereby, it can suppress significantly that the
In addition, by providing a distribution of momentum in each of the collective sprays 50-1 to 50-5, the collective sprays 50-1, 50-2, 50-3, 50-4, and 50-5 are easy as they progress downstream. Are gradually or stepwise deflected.
さらに、吸気弁が閉じた状態での吸気ポート内の空気流動にマッチさせて均質混合気形成を促進させるに適した全体噴霧60の形状、貫徹力、噴射量分布、方向を容易に設定することができる。
また、例えば吸気行程噴射では吸気弁から筒内へ流入する吸気流動に、更に追随し易くなり、全体噴霧60が吸気弁やその近傍の吸気ポート壁面に干渉せずに筒内へ流入することが可能になって、筒内での吸気冷却効果による充填効率向上を実現できる。
なお、ここでも全体噴霧60の形状等だけでは吸気弁やその近傍の吸気ポート壁面への干渉を回避できない場合は、全体噴霧60の方向が途中で変化するように設定して、吸気流動に追随させることが可能となる。
従って、非スイッチング噴霧30Aの広角化を伴わずに貫徹力をコントロールすることにより噴射系システム全体の自由度が高くなり、またエンジン性能が向上する。
Furthermore, the shape, penetration force, injection amount distribution, and direction of the
In addition, for example, in the intake stroke injection, it becomes easier to follow the intake flow flowing into the cylinder from the intake valve, and the
In this case as well, if interference with the intake valve wall surface in the vicinity of the intake valve cannot be avoided by only the shape of the
Therefore, controlling the penetration force without widening the
なお、実施の形態1では、2方向に向かう噴孔群に分れている、所謂2スプレーの噴霧形態について説明したが、この実施の形態の燃料噴射弁1は、四輪自動車用エンジンで多く用いられている二つの吸気弁に対応することができる。
また、所謂1スプレーの噴霧形態の場合であって二つの吸気弁に対応する場合に、各燃料噴射弁は各吸気ポートに傾斜して取付けられ、燃料噴射弁の各噴孔と吸気弁との距離が同一で無い場合には、それぞれの吸気ポートに最適な噴霧形態を有する燃料噴射弁を取付ければよい。また、三つの吸気弁についても同様である。
In the first embodiment, the so-called two-spray spray mode divided into the nozzle holes extending in two directions has been described. However, the
Also, in the case of so-called one-spray spraying mode and corresponding to two intake valves, each fuel injection valve is inclinedly attached to each intake port, and each injection hole of the fuel injection valve is connected to the intake valve. If the distances are not the same, a fuel injection valve having an optimum spray form may be attached to each intake port. The same applies to the three intake valves.
また、実施の形態1では、スイッチング噴霧32Aと非スイッチング噴霧30Aが一つずつペアになった組み合わせが五つの集合噴霧50−1〜50−5の場合で説明したが、同様の効果を発揮できる限り、両噴霧32A,30Aの組み合わせとその中の噴霧数や、全体噴霧を形成する集合噴霧の総数は、実施の形態1のものに限定されない。
例えば、例えば非スイッチング噴霧30Aが一つとその両側にスイッチング噴霧32Aが一つずつ配置された組み合わせが三つで形成されて集合噴霧50が形成されていてもよい。
そして、これらの組み合わせの一つ一つで実現できる集合噴霧50の特性を所望のとおりに設定することにより、各集合噴霧50の運動量分布つまり貫徹力分布を形成することができるので、全体噴霧60を3次元的に偏向させることも可能である。
Further, in the first embodiment, the combination in which the switching
For example, for example, the
Then, by setting the characteristics of the
さらに、実施の形態1では全体噴霧60が中空状のものについて説明したが、この形状に限定されるものではなく、中実状のものや、C字状、コの字状など自由に形成することができる。
一般的には、中空状噴霧は傘形状の内外で圧力差が生じるので、雰囲気圧力によっては噴霧が萎むなどの形状変化が発生するが、この実施の形態では、スイッチング噴霧32Aあるいは非スイッチング噴霧30Aのいずれかにかかわらず、隣り合う噴霧はアクシス−スイッチング現象が生じる前まではコアンダ効果が作用しないような配置になっているので、傘形状を形成しても各噴霧の隙間のために内外は連通しており、傘形状の内外圧力差は生じない。
従って、C字状やコの字状の全体噴霧60と同じような挙動を実現することが可能である。
Further, in the first embodiment, the
In general, since a hollow spray has a pressure difference between the inside and the outside of the umbrella shape, a change in shape such as the spraying withering occurs depending on the atmospheric pressure. In this embodiment, the switching
Therefore, it is possible to realize the same behavior as the C-shaped or U-shaped
また、スイッチング噴霧32Aは、短軸に対して長軸が線対称である長円形状であるので、アクシス−スイッチング現象が生じた後、このスイッチング噴霧32Aと、このスイッチング噴霧32Aに隣接した非スイッチング噴霧30Aとの間の距離が急接近し、コアンダ効果を迅速に生じさせることができる。
しかも、スイッチング噴霧32Aは、非スイッチング噴霧30Aと対向しているので、コアンダ効果をより迅速に生じさせることができる。
なお、スイッチング噴霧32Aは、他にも例えば扁平状であってもよい。
Further, since the switching
Moreover, since the switching
In addition, the switching
実施の形態2.
以下、上記燃料噴射弁1を吸気ポート20に取付けた例について説明する。
図10は上記構成の燃料噴射弁1が吸気ポート20のスロットルボディ21に取り付けられた例を示す構成図である。なお、燃料噴射弁1からは一対の全体噴霧60が形成されるも、図10ではそのうちの一方の全体噴霧については省略されている。
この例では、燃料噴射弁1がスロットル弁22の下流に設けられている。燃料噴射弁1の先端部は、吸気流の上流に向かって燃料噴射するように指向している。
この燃料噴射弁1から燃料が噴射されて生じた、各非スイッチング噴霧30A及び各スイッチング噴霧32Aは、集合噴霧50−1、50−2、50−3、50−4、50−5を経て全体噴霧60が形成され、この全体噴霧60の貫徹力は、スロットル弁22及びスロットルボディ21の壁面の直前で急に抑制される。
従って、一旦上流方向にスロットル弁22に向けて燃料を噴射させることで、吸気弁23と全体噴霧60との間での燃料と空気とで混合気が生じる空間を大きくとることができる。
Embodiment 2. FIG.
Hereinafter, an example in which the
FIG. 10 is a configuration diagram showing an example in which the
In this example, the
The
Therefore, once the fuel is injected toward the
この結果、極端に吸気ポート20が短い場合等で吸気流の下流方向に燃料を噴射すると気筒間の噴射量分配がアンバランスになったり、吸気ポート20の内壁面への噴霧付着割合が増加することで、結果的に混合気形成状態が悪くなり、エンジンの性能が向上しないといった不都合を解消することができる。
特に、燃料噴射弁1は吸気ポート中心軸に対して角度をもって取り付けざるを得ないので、噴孔12からスロットル弁22までの距離が不均等である。
従って、軸に対称で噴孔から燃料が噴出される燃料噴射弁の場合は、混合気形成に適した噴射方向の設定とスロットル弁への噴霧燃料付着防止とを両立させることが難しかった。
これに対して、この実施の形態1の燃料噴射弁1を用いることで上記両立を図ることができる。
As a result, when fuel is injected in the downstream direction of the intake flow when the
In particular, since the
Therefore, in the case of a fuel injection valve in which fuel is ejected from the nozzle hole symmetrically about the axis, it is difficult to achieve both the setting of the injection direction suitable for the mixture formation and the prevention of sprayed fuel adhesion to the throttle valve.
On the other hand, the above-described compatibility can be achieved by using the
図11は上記燃料噴射弁1が吸気ポート20の吸気管集合部25に取り付けられた例を示す構成図、図12は図11の平面図である。
この例では、吸気管集合部25に燃料噴射弁1が取り付けられている。吸気管集合部25は、下流が分岐部26と接続されている。各分岐部26は、それぞれ気筒(図示せず)に接続されている。各分岐部26にはそれぞれ吸気弁23が取り付けられている。燃料噴射弁1の先端部は、各吸気弁23に向かって燃料噴射するように指向している。
FIG. 11 is a configuration diagram showing an example in which the
In this example, the
この燃料噴射弁1から燃料が噴射されて生じた、各非スイッチング噴霧30A及び各スイッチング噴霧32Aは、最後は全体噴霧60となり、先に説明したように、全体噴霧60の貫徹力を吸気弁23及び分岐部26の内壁面の直前で急に抑制される。
また、非スイッチング噴霧30Aとスイッチング噴霧32Aとの間でのコアンダ効果により噴霧が集合するので、図12の点線で示すように吸気ポート20の内壁面に直接噴霧が付着するのを抑制することができる。
また、図11及び図12から分かるように、全体噴霧60は、その形状が分岐部26の内壁面及び吸気弁23と直接干渉しないようになっている。
The
Further, since the spray collects due to the Coanda effect between the
Further, as can be seen from FIGS. 11 and 12, the shape of the
このように、この例では、吸気管集合部25に燃料噴射弁1を一本だけ配置して、各気筒の吸気弁23の付近までの吸気ポート20への噴霧付着を抑制しつつ、吸気弁23付近で全体噴霧60の貫徹力を抑制しつつ、かつ広角な噴霧を行うことが可能である。
As described above, in this example, only one
このような多気筒エンジンで燃料噴射弁1を1本だけ使用するようなシステム(所謂シングルポイントインジェクション)はエンジンのコストパーフォーマンスを向上することになり、非常に有用である。
即ち、汎用エンジン、小型エンジンにおいては、現在のキャブレタから燃料噴射システムへの転換が進んでいるが、大幅なコストアップは難しいため、図10〜図12に示した、シングルポイントインジェクションを用いることは非常に有用である。
Such a system (so-called single point injection) that uses only one
In other words, in general-purpose engines and small-sized engines, the current carburetor is changing to a fuel injection system. However, since it is difficult to increase the cost significantly, it is difficult to use the single point injection shown in FIGS. Very useful.
このように、通常流体通路の断面が所謂三次元的に異形形状である、吸気弁23近傍の吸気ポート20において、燃料噴霧が吸気ポート20に直接付着するのを抑制することができる。
As described above, the fuel spray can be prevented from directly adhering to the
なお、図11,12のものは、一気筒に対して一吸気弁23であって、一つの燃料噴射弁1で二つの気筒を賄う例であるが、一気筒に対して二つの吸気弁23であって、一つの燃料噴射弁1で一つの気筒を賄う例であっても、この発明は適応できる。
11 and 12 show an example in which one cylinder has one
吸気弁23が2つあるガソリンエンジンの場合、夫々の吸気弁23に対応する二つの全体噴霧60を構成するこの実施の形態の燃料噴射弁1を用いることで、2スプレーの各噴霧形態の自由度が大幅に向上する。
そして、噴霧の吸気ポート20の内壁面への付着抑制、噴霧と空気流動とのマッチングによる均質混合気形成、噴霧の吸気流動への追随による筒内直入など、目的に応じて全体噴霧60の仕様を決めればよい。
In the case of a gasoline engine having two
The specifications of the
なお、噴霧パターンについては、2スプレーのみならず、1スプレーや、3スプレー等のマルチスプレーにおいて、全体噴霧60の形状がそれぞれ異なる仕様の燃料噴射弁を提供することができる。
As for the spray pattern, it is possible to provide fuel injection valves having different specifications for the shape of the
なお、各実施の形態の燃料噴射弁1は、電磁式の燃料噴射弁について説明したが、駆動源は他の方式でもよく、ピエゾ式、機械式等の他の方式でもよく、また間欠噴射弁ではなく連続噴射弁にも適用できることは明らかである。
また、燃料噴射弁1以外にも塗装・コーティング、農薬散布、洗浄、加湿、スプリンクラー、殺菌用スプレー、冷却などの一般産業用、農業用、設備用、家庭用、個人用としての各種スプレーなど用途・要求機能は多岐にわたる。
従って、駆動源やノズル形態、噴霧流体にかかわらず、これらの噴霧生成装置にもこの発明の流体噴射弁を組み入れて、今までになかった噴霧形態を実現することが可能である。
In addition, although the
In addition to the
Therefore, regardless of the drive source, the nozzle form, and the spray fluid, it is possible to incorporate the fluid injection valve of the present invention in these spray generation apparatuses to realize an unprecedented spray form.
1 燃料噴射弁(流体噴射弁)、1a 液膜流、2 ソレノイド装置、3 ハウジング、4 コア、5 コイル、6 アマチュア、7 弁装置、8 弁体、8a ロッド、9 弁本体、10 弁座、10a 弁座面、11 噴孔プレート(噴孔体)、12A 非スイッチング噴孔、12B スイッチング噴孔、13 ボール、13a 面取部、13b 平面部、13c 曲面部、14 圧縮バネ、18 カバープレート、18d 終端面、18b 薄肉部、20 吸気ポート、21 スロットルボディ、22 スロットル弁、23 吸気弁、24 吸気ポート、25 吸気管集合部、26 分岐部、30,31,32 噴流、30A,31A 非スイッチング噴霧、32A スイッチング噴霧、40,50 集合噴霧、60 全体噴霧、R1 シート部、V 空気流、β 燃料流、A 隙間通路、B 径方向通路、C 環状通路C、イ 正面流れ、ロ 戻り流れ。 1 fuel injection valve (fluid injection valve), 1a liquid film flow, 2 solenoid device, 3 housing, 4 core, 5 coil, 6 amateur, 7 valve device, 8 valve body, 8a rod, 9 valve body, 10 valve seat, 10a valve seat surface, 11 injection hole plate (nozzle body), 12A non-switching injection hole, 12B switching injection hole, 13 ball, 13a chamfering part, 13b flat part, 13c curved part, 14 compression spring, 18 cover plate, 18d End face, 18b Thin part, 20 Intake port, 21 Throttle body, 22 Throttle valve, 23 Intake valve, 24 Intake port, 25 Intake pipe collection part, 26 Branch part, 30, 31, 32 Jet, 30A, 31A Non-switching Spray, 32A switching spray, 40,50 collective spray, 60 whole spray, R1 seat, V air flow, β fuel , A clearance passage, B radial passages, C annular passage C, Lee front flow, b return flow.
Claims (6)
複数の各前記噴孔から各噴流が噴射されて生じた各噴霧から下流において全体噴霧が形成される流体噴射弁であって、
各前記噴霧は、噴射方向に直角な面内の断面形状が長軸と短軸の長さとが異なる複数のスイッチング噴霧を含み、
各前記噴孔は、下流において前記長軸及び前記短軸の方向が変化して変形する前記スイッチング噴霧を生じさせるスイッチング噴孔を少なくとも二つ含み、
各前記スイッチング噴霧の少なくとも一つは、前記長軸及び前記短軸の方向が変化する、時間的タイミング、前記噴孔からの距離が他のスイッチング噴霧と異なり、
各前記スイッチング噴霧の前記長軸及び前記短軸の方向が変化した後に、これらのスイッチング噴霧と、これらのスイッチング噴霧と隣接した各前記噴霧とがコアンダ効果により集合して各集合噴霧が形成され、これらの集合噴霧が連鎖して前記全体噴霧が形成される流体噴射弁。 A valve seat provided in the middle of a fluid passage through which a fluid flows, a valve body that controls opening and closing of the fluid passage by separation and contact with the valve seat, and a plurality of nozzle holes provided downstream of the valve seat An injection hole body having
A fluid injection valve in which an overall spray is formed downstream from each spray generated by each jet flow being ejected from each of the plurality of nozzle holes,
Each of the sprays includes a plurality of switching sprays in which a cross-sectional shape in a plane perpendicular to the injection direction has different major and minor axes,
Each said injection hole includes at least two switching injection hole causing said switching spraying the direction of the long axis and the short axis in the downstream to varying turned into deformation,
At least one of each of the switching sprays is different from other switching sprays in terms of time timing, distance from the nozzle hole , in which the direction of the major axis and the minor axis changes .
After the direction of the major axis and the minor axis of each of the switching sprays is changed , these switching sprays and the respective sprays adjacent to these switching sprays are aggregated by the Coanda effect to form each collective spray, A fluid injection valve in which these collective sprays are linked to form the entire spray.
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