JPS6158649B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 単室・直接噴射型デイーゼル機関は熱効率が高
く、比出力も大きいことで知られているが、着
火・燃焼時の燃焼室形状は高さの極めて低い円筒
形となるため、燃料噴射弁からの燃料の噴霧は燃
焼室壁面に付着するおそれがあり、燃焼室壁面に
燃料が付着すると壁面で分解燃焼するため煤や煙
を発生しながらの不完全燃焼となる。このような
不完全燃焼を免れるための手段としては、複数の
噴孔を一直線上に並べて穿設した多孔噴射弁を用
い、数本の燃料噴流をシリンダの中心軸に垂直な
面内に一平面上に噴出させ、扁平な噴霧粒群を形
成することが行われている。

上記多孔噴射弁による噴霧は単独の噴孔による
噴霧を複数個並列せしめたものと同一効果を有す
る反面、それぞれの噴流の到達距離は長く、従来
の多孔噴霧弁の噴流到達距離は120mm以上となる
ため、気筒径にして240mm以下のものに用いると
前記不完全燃焼を発生しやすい。

本発明は従来の多孔噴霧弁に代え、衝突噴霧弁
を用いてシリンダの中心軸にほぼ垂直な面内に扁
平で扇形に拡がる噴霧流を形成させ、かつピスト
ン頂面に前記噴霧流の中心線に沿う線上でかつ噴
孔に近接した位置にピストン頂面に開口する凹所
を設け、圧縮行程において燃焼室周壁から前記凹
所に向う流れを形成させることにより、小型の直
接噴射型デイーゼル機関を提供しようとするもの
である。

即ち本発明は、噴射弁の先端に２個の噴孔を近
接せしめて備え、該噴射弁の中心軸に対し40度な
いし55度の角度傾斜した通路により前記噴孔を該
噴射弁の圧力室に連通せしめ、それぞれの噴孔よ
り噴出せしめられた液体燃料が噴孔より噴出せし
められた直後相互に衝突して扁平で扇形に拡がる
噴霧流を形成すべくした圧力式噴射弁を、前記噴
霧流がシリンダの中心軸を含む平面に投影したと
きには扇平に、かつシリンダの中心軸に垂直な平
面に投影したときには扇形に拡開して噴出するよ
うに、前記噴射弁の噴孔をシリンダの燃焼室内の
頂部側面に開口させ、該シリンダ内を往復動せし
められるピストンの頂面には、前記噴射弁の中心
軸に沿う線上で該噴射弁に近接した位置に、その
中心を有する凹所を燃焼室に開口せしめて形成
し、圧縮行程においてピストンの頂面上に燃焼室
周壁から前記凹所に向う流れを形成せしめるよう
にしたことを特徴とするものである。

図面は本発明の一実施例について示したもの
で、第１図は衝突噴射弁の断面図を示すものであ
る。弁本体１の内部に形成されたシリンダ室２に
は大径部３、小径部４および截頭円錐形の弁部５
を形成したプランジヤ６が摺動自在に挿置され、
該プランジヤ６ははね７の弾力で弁本体１のシリ
ンダ室２の端部に形成された截頭円錐面の弁座８
に前記弁部５を着座せしめるように弾発されてお
り、前記弁本体１の先端部の壁９には前記シリン
ダ室２の中心軸に関し45度の角度で傾斜する２個
の通路１０，１０が穿設され、該通路１０，１０
により噴射弁の本体１の先端面１１に２個の噴孔
１２，１２を開口せしめるとともに、該噴孔１
２，１２を弁本体内部の先端においてプランジヤ
６の弁座８への着座または離座によりシリンダ室
２と隔離または連通せしめられる弁室１３と通路
１０，１０により連通せしめる。前記通路１０，
１０は直径が0.2mmの直線孔に、かつ前記シリン
ダ室２の中心軸を含む面内に孔中心が在るように
穿設され、シリンダ室２の中心軸に垂直な先端面
１１における噴孔１２，１２の間隔は雰、即ち前
記面１１に通路１０，１０を形成する孔縁が相互
に外接するように穿設されている。

前記プランジヤ６は大径部３でシリンダ室２の
壁に摺動せしめられ、その小径部４に対応する部
分においてシリンダ室２は送人管１４により燃料
ポンプ等の高圧燃料源（図示せず）に連通せしめ
られ、また前記大径部６の端部により開閉せしめ
られる排出管１５は燃料タンク（図示せず）に連
通されている。

なお図中２１はプランジヤ６の軸杆１６を案内
するとともにばね７の一端を支えるために弁本体
１に螺装された支筒であり、２２は弁本体１の噴
孔１２，１２の周辺を冷却するための冷却液ジヤ
ケツト、２３，２４は該ジヤケツト２２に冷却液
を流入吐出せしめる流入口、吐出口をそれぞれ示
し、２５は弁本体１を機関シリンダへ取付けるた
めの螺糸部を示す。

上記の構成を有する噴射弁に送入管１４を介し
て加圧した燃料をシリンダ室２内に送入するとき
は、プランジヤ６は大径部３と小径部４との境界
の段部に液圧を作用せしめられ、ばね７の弾力に
抗して摺動して弁部５を弁座から離座せしめる。
加圧された液体燃料はシリンダ室２から弁室１３
に流入し、２個の通路１０，１０を通つてそれぞ
れの噴孔１２，１２から噴出するとともに、２個
の噴孔１２，１２から噴出された燃料は相互に衝
突して２個の通路１０，１０を含む面内において
は扁平で、該面に垂直でシリンダ室２の中心軸を
含む面内においては扇形に拡開する噴霧流を形成
する。

第２図および第３図はこの噴霧流を説明するた
めの図であつて、第２図は通路１０，１０の中心
を含む面における要部断面図、第３図はシリンダ
室２の中心軸を含み第２図に垂直な面における要
部断面図を示し、何れもプランジヤ６の弁部５は
弁座８から離れているところを示す。前述したよ
うに面１１における噴孔１２，１２は互いに外接
して穿設されているから、各通路１０，１０を通
つて噴孔１２，１２から噴出するそれぞれの流れ
は第２図に示すような面１１を離れた瞬間に90度
の角度をもつて衝突するので、第２図に示す図に
おいては噴霧流は扁平に、第３図に示す面におい
ては扇形に拡開された流れを呈する。この噴霧流
の到達距離は、通路がシリンダ室２の中心軸に平
行に穿設されている場合に比して短いことは自明
である。このような90度の角度で衝突させて噴霧
流を形成する考え方はユンカースの開放弁型衝突
噴射弁として公知である。

本発明においては、かかる衝突噴射弁を第４図
および第５図に示すようにデイーゼル機関のシリ
ンダ３１の燃焼室３２の頂部付近の側面にその噴
孔１２，１２を開口させ、シリンダ３１の中心軸
を含む面内においては扁平に、シリンダ３１の中
心軸にほぼ直角な面内においては扇形に拡開する
ように噴霧流を噴出せしめる。即ち噴射弁の前記
通路１０，１０の中心軸を含む面がシリンダ３１
の中心軸を含むように形成せしめ、該噴射弁のシ
リンダ室２の中心軸をシリンダ３１の中心軸に直
交せしめると、第４図および第５図に示すように
噴射流の中心軸はシリンダ３１の中心軸に直交す
る一直径方向と一致する。

ピストン３３の頂面３４には前記噴射流の中心
軸方向の直径上に噴射弁の噴孔１０，１０に近接
した位置に中心を有する凹所３５を燃焼室３２に
開口せしめて形成するとともに、ピストン３３の
頂面３４には前記中心軸方向の直径に沿つて噴孔
１０に面する周縁より凹所３５に至る浅い凹溝３
６を形成する。噴射弁の噴孔１０はピストン３３
の上死点位置でピストン３３の頂面３４または前
記凹溝３６により遮蔽されない位置のシリンダ３
１壁に形成する。

第４図および第５図において、ピストン３３が
吸気を完了した下死点位置から上死点に向う圧縮
行程で燃焼室３２内の空気は圧縮され、凹所３５
の存在により、図の矢印Ａに示すようにスキツシ
ユ現象を生じて燃焼室周壁から凹所３５の中心に
向う速度Vrの半径流を発生する。特に圧縮行程
の終期に上記半径流は激しくなる。

ピストン３３の上死点前−30〜−20度において
噴射弁の噴孔１２から燃料を噴出せしめると、噴
霧粒群は図示のようにシリンダ３１の中心軸に垂
直な平面に投影したときはほぼ90度の噴射角で扇
形に飛散するように投影されるが、シリンダ３１
の中心軸を含む平面に投影したときは、扇平に飛
散するから、噴霧粒群は燃焼室３２内の頂部付近
でシリンダ３１の中心軸に垂直な面を中心として
扇平状に噴射され、該噴霧粒群は着火前に燃焼室
３２の頂面やピストン頂面３４に付着することは
ない。また噴射弁の噴孔１２より噴出する燃料の
通路１０内での速度V₁は大であるが、噴孔１２
から噴出後90度の角度で衝突するため、噴霧粒群
の速度V₂は、衝突による運動量およびエネルギ
ーの損失のため前記速度V₁の約1/3に低下するの
で、粗大な噴霧粒が着火、燃焼する以前に、シリ
ンダ３１の壁に到達することをかなり防止でさ
る。その上燃焼室３２内には前記矢印Ａに示す速
度Vrの半径流が凹所３５のために形成せられる
ので、矢印Ｂに示す噴霧粒群の速度Ｖは（V₂−
Vr）に減少せしめられるので、従来の多孔型噴
射弁に比してかなり小径のシリンダを有するデイ
ーゼル機関に適用しても噴霧粒群が燃焼室壁やピ
ストン頂部に直接付着して不完全燃焼を発生する
おそれはない。

そしてこの不完全燃焼に関する本発明の利点を
さらに詳しく説明すれば、噴孔１２，１２より噴
出される燃料は噴孔１２，１２を出た直後にほぼ
90度の角度で衝突せしめられ、両噴流は扁平な液
膜となつて扇形に拡開され、その液膜が周辺から
分裂して微粒となる膜状微粒化機構の典型的なも
のであるから、噴霧粒は従来の多孔型噴射弁によ
るものに比して粒径が小さくなるとともに、粒径
の大なる噴霧粒ほど噴孔から遠くへ飛散しようと
するが、前記ピストン頂部３４に形成した凹所３
５の存在により形成される半径流Ａのため減速せ
しめられてその飛散距離は短縮されるため、径の
小さいシリンダ３１内においても燃焼室壁やピス
トン頂部に到達する以前に着火、燃焼せしめら
れ、不完全燃焼を発生しないものである。

第６図に噴孔を出た直後の噴流の衝突角を90
度、噴孔径を0.2mmとし、密度が0.8ｇ/cm³、表面
張力が26dyn/cmの軽油を用いて実験した噴流速
度V₁（m/sec）とザウター平均粒径（μ）の
関係を示す。ザウター平均粒径とは、実際の噴霧
粒群と、均一な粒径をもつ噴霧粒群とをくらべ、
両者の全表面積と全体積が等しいとして噴霧粒群
の均一粒径を ＝1.73D^０．^７５ _１・Ｖ^−０．^５ _１（σ／ρ） ｛sin（α／２）｝^-1.⁵ の式から算出したものである。上式においてD₁
は噴孔の径（cm）、V₁は噴孔内の流速（cm/se
ｃ）、αは衝突角、ρは燃料密度、σは表面張力
である。

第６図から衝突型噴射弁を用いると、燃料の噴
霧粒の平均粒径がかなり低い噴流速度で小さくさ
れることがわかる。またその噴霧粒を観察すると
第２図ないし第５図に示すように粒径の大なる噴
霧粒ほど噴孔から遠方に到達していることがわか
る。

かくして送入管１４を介して加圧した燃料をシ
リンダ室２に送入している間は噴孔１２，１２か
ら扁平で扇形に拡開する噴霧粒群が燃焼室３２に
噴射せしめられ、燃料のシリンダ室２への送入を
停止せしめると、シリンダ室２の圧力は低下し、
ばね７の弾力によつてプランジヤ６はその弁部５
が弁座８に着座し、燃料噴射は終了する。噴射弁
の先端部が200〜500℃となると燃料噴射後に噴射
弁先端に付着している燃料が炭化するおそれがあ
るので、ジヤケツト２２には流入口２３、吐出口
２４を介して水またはシリコーン油等の冷却液を
循環せしめるとよい。

衝突型噴射弁における噴孔１２，１２を形成す
る通路の交角は90度としたときが、デイーゼル機
関用としては最も優れ、第３図に示す面で扇形に
拡開する噴霧流の噴射角Ｃはほぼ90度である。噴
孔の交角を80度に近づけば噴射角Ｃは小さくな
り、噴霧粒径は大きくなる。噴孔の交角を100度
に近づければ噴射角Ｃは110度程度に大きくな
り、噴霧粒径は小さくなるが、噴霧粒の僅かな量
が逆戻りして噴射弁先端に付着する。

噴射弁先端の面１１内における噴孔１２，１２
の間隔は実施例に示す零が最適である。噴孔１
２，１２の輪郭を重なり合わせると噴射角が小と
なる。しかし噴孔１２，１２の中心軸が前記噴射
弁の先端面１１の表面で交わるまで近接せしめる
と、エネルギロスが大となり、噴霧流は扁片にな
るが遠くまで飛散しない。噴孔１２，１２の孔縁
の最短距離を拡大すると噴射角Ｃは大となるが、
２mmを超えると液膜の形成が悪く粗大な噴霧粒を
形成しやすい。

噴孔の径は機関の要求によつて定まるか、使用
燃料の種類から0.1〜0.8mmが適切で、前記噴孔の
交角と噴孔孔縁間の間隔を組み合わせると、機関
に適した噴射弁が得られる。

第７図および第８図は本発明の他の実施例を示
す。本実施例においてはピストン４３の頂面４４
に設けた凹所４５を、そのピストン４３の中心軸
に沿う深さを、燃料噴射弁に近接した位置におい
ては深く、噴射弁から遠ざかるに従つて次第に浅
くなるよう、その底面４６を傾斜せしめるととも
に、該凹所４５のピストン頂面４４における平面
形状を、噴射弁のプランジヤ６の中心軸を含むピ
ストン４３の直径に関して線対称に形成したもの
である。

上記実施例においては第４図および第５図に示
す実施例とほぼ同様の作用効果を奏すことができ
るほか、ピストンの製造は容易となる。

以上詳細に説明したように、本発明は噴射弁の
中心軸に対し40度ないし55度の傾斜した角度で噴
流を形成する２個の噴孔を噴射弁の先端に近接せ
しめて形成し、該噴射弁により液体燃料をデイー
ゼル機関のシリンダの燃焼室頂部側面に開口せし
めた噴孔により噴出させ、該噴孔より噴出せしめ
られた直後の噴流を相互に衝突させることによ
り、シリンダの中心軸を含む平面に投影したとき
には扁平に、かつシリンダの中心軸に垂直な平面
に投影したときには扇形に拡開する噴霧流を形成
させ、かつシリンダ内で往復するピストンの頂面
には前記噴孔に近接して、好ましくは噴射弁の中
心軸即ち噴霧流の中心軸上に中心を有する位置
に、焼燃室に開口する凹所を形成せしめ、デイー
ゼル機関の圧縮行程において燃焼室周壁から凹所
へ向う流れを形成せしめるようにしたものである
から、前記傾料した角度で燃料を衝突せしめる噴
射弁の燃料微細化噴霧および噴霧粒の飛散距離の
低減とともに、燃焼室周壁から凹所へ向う流れに
よる噴霧粒の飛散速度の低下とによつて、燃料の
噴霧粒を着火、燃焼前に燃焼室周壁やピストン頂
面に付着することによる不完全燃焼を阻止せし
め、直接噴射型デイーゼル機関の燃焼効率の向上
を図り、不完全燃焼のない小径シリンダを有する
デイーゼル機関を可能とするものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による噴射弁の一例を示す断面
図、第２図および第３図はその噴霧流の形状を示
す要部断面図、第４図は本発明の一実施例を示す
要部側面断面図、第５図はそのピストン頂部を示
す平面断面図、第６図は第１図に示す型式の噴射
弁における噴孔通路内の燃料流速と平均粒径との
関係を示す図、第７図は本発明の他の実施例の要
部側面断面図、第８図はそのピストン頂部を示す
平面断面図である。 なお図中、１は噴射弁本体、６はプランジヤ、
１０は通路、１２は噴孔、１３は弁室、３１，４
１はデイーゼル機関のシリンダ、３２，４２はそ
の燃焼室、３３，４３はそのピストン、３４，４
４はピストンの頂面、３５，４５はピストンに形
成した凹所をそれぞれ示すものである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 噴射弁の先端に２個の噴孔を近接せしめて備
   え、該噴射弁の中心軸に対し40度ないし55度の角
   度傾斜した通路により前記噴孔を該噴射弁の弁室
   に連通せしめ、それぞれの噴孔より噴出せしめら
   れた液体燃料が噴孔より噴出せしめられた直後相
   互に衝突して扁平で扇形に拡がる噴霧流を形成す
   べくした自動式噴射弁を、 前記液体燃料の噴霧流がシリンダの中心軸を含
   む平面に投影したときには扁平に、かつシリンダ
   の中心軸に垂直な平面に投影したときには扇形に
   拡開して噴出するように、前記噴射弁の噴孔をシ
   リンダの燃焼室内の頂部側面に開口させ、 該シリンダ内を往復動せしめられるピストンの
   頂面には、前記噴射弁に近接した位置に燃焼室に
   開口せしめた凹所を形成し、圧縮行程においてピ
   ストン頂面上に燃焼室周壁から前記凹所に向う流
   れを形成せしめるようにしたことを特徴とする衝
   突噴射弁を備えた直接噴射型デイーゼル機関。 ２ 前記噴射弁の噴孔に連通する通路の内径は互
   いに等しくかつ0.1〜0.8mmの範囲にあり、噴射弁
   の中心軸に垂直な面内における噴孔壁間の最短距
   離は０〜２mmの範囲内の間隔であることを特徴と
   する特許請求の範囲第１項に記載の衝突噴射弁を
   備えた直接噴射型デイーゼル機関。