JP2003530514A - 燃料インジェクターノズル - Google Patents
燃料インジェクターノズルInfo
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Abstract
Description
燃料を内燃エンジンに噴射するためのバルブ制御式ノズルに関する。本明細書中
では、「内燃エンジン」という用語は、2ストローク又は4ストロークのいずれ
かのサイクルで作動する往復エンジン又はロータリーエンジン等の断続的燃焼サ
イクルを持つエンジンを含む。
に直接送出された燃料スプレーの性質は、燃料の燃焼の制御に大きな影響を及ぼ
し、これによりエンジンの作動の安定性、エンジンの燃費、及びエンジン排気ガ
スの組成に影響を及ぼす。特に火花点火式エンジンでこれらのエンジン作動結果
を最適にするため、インジェクターノズルから出る燃料スプレーで代表的に必要
とされる所望の性質には、燃料(液体燃料)の液滴の大きさが小さいこと、スプ
レーの幾何学的形態が制御されていること、及び直噴式エンジンの場合に燃料が
燃焼チャンバ内へ制御下で送出されることが含まれる。更に、少なくとも低い燃
料供給速度では、比較的に拡がっていない均等に分配された点火可能な燃料蒸気
雲がエンジンの点火プラグの近傍に存在するのが望ましい。
に直接送出するのに使用されるインジェクターノズルは、外方に開放したポペッ
トバルブ型であり、代表的には、円筒形又は円錐形をなして拡がるスプレーの形
態で燃料を送出する。このようなインジェクターノズルでは、燃料スプレーの形
状の性質は、代表的には、多くの要因に左右される。これらの要因には、ノズル
を構成する出口ポート及びバルブの形状、特にポート及びバルブシートの直ぐ近
くにあるバルブの表面の形状が含まれ、ポート及びバルブはノズルの閉鎖時に密
封係合する。インジェクターノズルの所望の性能及び従って燃焼プロセスを提供
するようにノズルの幾何学的形態が選択された後、このような幾何学的形態を維
持することが重要であり、そうでない場合には、特に低い燃料供給速度でエンジ
ンの性能が損なわれる。このことは、内方に開放したピントルバルブ型インジェ
クターノズルの特定の設計についてもいえる。
は堆積は、開放状態のノズルを通る燃料流路の幾何学的形態に悪影響を及ぼし、
及び従って、所望の燃料スプレー形状の形成に悪影響を及ぼし、及び従って、エ
ンジンの燃焼プロセスに悪影響を及ぼす。これらの表面上に堆積物が形成される
主な原因は、燃料の燃焼によって生じるカーボン粒子又は他の粒子がこれらの表
面に付着することであり、噴射サイクル中にこれらの表面上に残った残留燃料が
不完全燃焼することが含まれる。このような堆積を減少させる方法又は制御する
方法は、本出願人の米国特許第5090625号、米国特許第5593095号
、及び米国特許第5685492号に開示されている。これらの特許に触れたこ
とにより、これらの特許に開示された内容は本明細書中に含まれたものとする。
及び出口速度で決まる経路を辿るということが知られている。更に、燃料スプレ
ーがインジェクターノズルの送出端を越えて進むとき、スプレーによって境界付
けられたノズルの直ぐ下流の領域内に、燃料スプレーの外側に作用する圧力より
も低い圧力が発生し、これによりスプレーが内方に縮んでしまうということもま
た知られている。この現象は、「ネッキング」と呼ばれる。
及びネッキングの結果、燃料スプレー又はプルームの形状に大きな影響を及ぼす
。このような影響は、燃料の予想不能な偏向及び/又は分散をもたらし、これが
燃焼プロセスに悪影響を及ぼす。発生する可能性がある悪影響の例には、特に低
負荷作動中の燃料消費の増大、望ましからぬレベルの排気エミッション、及びエ
ンジンの作動の不安定性である。
を画成する表面上にカーボンや他の燃焼と関連した付着物等の付着物が不規則に
存在すること、ノズルのバルブやシート等の部品が偏心していること、及び/又
はバルブを支持するステムとバルブがインジェクターノズルの開閉を行う際にバ
ルブステムが内側で軸線方向に移動するボアとの間の隙間が過剰であることが含
まれる。バルブの横方向移動即ち偏心、及びバルブ又はバルブシートの表面上の
付着物は、ノズルの周囲の異なる区分を通過する流量を相対的に変化させ、かく
して燃料スプレーを非対称にする。
は、低負荷作動中の排気エミッションを制御する上で非常に望ましいと認識され
ている高度に層状をなした混合気で作動するエンジンで特に顕著である。
が垂下しており且つドーナッツ形状の外側表面を有するインジェクターノズルが
開示されている。ノズルから出る燃料プルームは、代表的には、突出部の外側表
面に基づく経路を辿る。ガイド突出部は、好ましくは、バルブ部材と直ぐ隣接し
たところで内方にネックをなしており、その後、先細の円形形状をなし、更に一
般的には逆截頭円錐形形状をなしている。ガイド突出部は、燃料プルームの形状
の制御を補助し、ノズルポート又はバルブ部材の表面上の炭質付着物によりこの
形状に及ぼされる外乱を或る程度補正する表面を提供する。
別の形態のインジェクターノズルが開示されている。ノズルは、内側表面を持つ
ポート、相補的外側表面を持つバルブ部材、及びポートの位置と対応するノズル
の本体の末端を越えて配置された流れ制御体を含む。流れ制御体は、ポートから
出る流体によって形成された燃料スプレーが、制御面によって少なくとも部分的
に決定される経路を辿るように形成されており且つ位置決めされた流れ制御面を
有する。流れ制御体は、特定の構成では部分的に中空である。
物理的表面を提供することによって、流体又は燃料スプレーを安定させる。これ
により、噴射期間中に燃料又は流体が横方向に逸らされることが減少する。流れ
制御体の制御面による流体又は燃料スプレーの案内により、代表的には、エンジ
ンの燃焼チャンバ内への流体スプレーの方向を均等にし、燃料又は流体スプレー
又はその部分を不規則にしたり拡がらせたりすることがあるこの他の影響に抗す
る。更に、燃料又は流体スプレーを案内することにより、インジェクターノズル
間の許容差の変化を含む製造誤差により生じるスプレーの違いや乱れの補正を補
助する。
の改良にも拘わらず、インジェクターノズル上に、特にノズル出口面に又はノズ
ル出口面と隣接した場所に、及びガイド突出部のネック部分に、或る程度のカー
ボン付着物が発生し続ける。ノズル出口面のところで及びネック部分に発生した
このようなカーボン付着物は、噴射されたスプレープルームを壊し、燃焼チャン
バ内への送出時に燃料スプレーの性質を変化させてしまう。起こる可能性がある
特定の問題点は、燃焼安定性、排煙レベル、燃料消費、及びエンジン排気エミッ
ションに及ぼされる有害作用である。これらは、車輛の駆動性を損ない及び/又
は規定のエミッション/燃費ターゲットの達成を不可能にする。これらのターゲ
ットは、両方とも、関連した環境法によって規定されている。
するのに寄与するインジェクターノズルを提供することであり、及び従って、イ
ンジェクターノズルの性能及び効率及び/又はエンジン性能及び車輛の駆動性を
全体として向上することである。
において、前記ノズルは、内側表面を持つポート及び相補的外側表面を持つバル
ブ部材を有し、前記バルブ部材は、流体をスプレーの形態で送出するために前記
表面間に通路を提供するため又は流体の送出を阻止するために表面間に密封接触
を形成するための夫々でポートに対して移動自在であり、前記インジェクターノ
ズルは、ポートの末端を越えて配置された流体流れ制御体を有し、前記流れ制御
体は、ポートからバルブ部材の移動方向で下流に配置された制御面を有し、前記
制御面は、ポートから出る流体によって形成された流体スプレーが、部分的に、
前記制御面の形状によって決定された経路を辿るのを促すように形成されており
且つ位置決めされており、前記流れ制御体は、制御面からノズルへの熱伝達を制
限するように構成された断熱領域を含む、インジェクターノズルを提供する。
利には、この連結部は、ノズルのバルブ部材の端面に連結されており且つここか
ら外方に延びており、制御面からバルブ部材への熱伝達を制限するように断熱領
域が配置されている。
一部が、バルブ部材の端面から断熱領域によって離間されている。
との間を延びるように構成されている。便利には、流れ制御体の向き合った表面
は、流れ制御体の制御面の一部と隣接して配置されている。
制御面を画成する。外側突出面は、様々な場所に又は互いに関して様々な配向で
配置できる。
ズルポートから開放時のバルブ部材の移動方向に離間されるようにノズルから離
してある。便利には、流れ制御体は、バルブ部材の端面にネックイン部分によっ
て連結されている。
い。即ち、断熱隙間を、空気又は例えば所与の時期に燃焼チャンバ内に存在する
ガスによって充填されるべき空所のままに残しておいてもよい。別の態様では、
断熱隙間を別の断熱材又は熱伝導率が低い材料で部分的に又は全体に充填しても
よい。隙間の幅は、流れ制御体及びバルブ部材に亘って得られるべき所望の温度
分布に従って、流れ制御体での及び特にその制御面のところでの熱の保持を最適
にする、即ち最大にするように計算できる。別の態様では、これを実験によって
決定することもできる。詳細には、断熱領域又は隙間は、流れ制御体の制御面即
ち外側突出面が、作動中、カーボン形成範囲よりも高い温度に維持されて付着物
制御が効果的になされるように構成されている。
側の部分との間に配置されるように連結部に配置される。便利には、前記領域は
、バルブ部材の直ぐ近くにあるネックイン部分の上区分内に配置されるように構
成されている。
により、連結部に連結できる。連結部は、便利には、流れ制御体の長さに沿った
任意の箇所の直径に対して比較的小径のスピゴット部分の形態をとる。連結部即
ちスピゴットは、流れ制御体と同じ材料で形成されていてもよいし異なる材料で
形成されていてもよく、一体成形されていてもよい。これらの間の連結は、流れ
制御体を連結部即ちスピゴット部分にプレス嵌め又は締まり嵌めし、これを溶接
、はんだ付け、又は他の固定技術又は取り付け技術で補完することにより行うこ
とができる。好ましくは、流れ制御体内のボアはバルブ部材及びノズルのポート
の軸線と同軸である。ボアは、直径が異なる二つの区分で形成されているのがよ
い。バルブの端面に向かって軸線方向内方に配置された上区分の直径は、上区分
から軸線方向外方に配置された下区分よりも大きい。ボアの上区分は、バルブ部
材の端面と連結部即ちスピゴット部材との間の移行領域に断熱隙間を維持するた
め、面取りが施してあるか或いはテーパしているのがよい。この上区分の表面は
、連結部又はスピゴット部分の表面と向き合って断熱隙間部分をその間に画成す
る流れ制御体の表面である。
連結され、多部品の、好ましくは二部品の流れ制御アッセンブリを形成する。こ
のような連結は、便利には、バルブ部材の端面に最も近い流れ制御体の表面とバ
ルブ部材の端面との間を延びる断熱隙間を残すように形成されている。断熱領域
は、バルブ部材の移動軸線に沿って好ましくは長さ方向に延びる断熱隙間を更に
含んでもよい。この断熱隙間は、連結部又はスピゴットの表面と、これと向き合
った、流れ制御体のボアの例えば上区分の一部を画成する壁の表面との間に画成
される。これは、流れ制御体の制御面と連結部又はスピゴット部分及びバルブ部
材との間の熱伝達面積を更に減少するのに役立つ。
ためのポートを持つ燃料インジェクターノズルにおいて、前記ノズルは、ポート
の外側に配置された燃料制御体を更に含み、使用時に、前記ノズルは、燃料が前
記ノズル内部に配置されていることによる前記ポートと隣接した比較的低温の領
域、及び比較的高い燃焼チャンバ温度に露呈されることによる前記流れ制御体の
比較的高温の領域を含み、前記低温の領域及び前記高温の領域は、その間に熱勾
配領域を形成し、前記流れ制御体の少なくとも一部は断熱領域を含み、前記断熱
領域は、前記熱勾配領域が流れ制御体内に含まれるように制御されるように、前
記断熱低温の領域の少なくとも一部と前記断熱高温の領域の少なくとも一部との
中間に配置されている、燃料インジェクターノズルが提供される。
制御面のところに又はその直ぐ近くに配置されている。便利には、前記勾配領域
は、流れ制御体の外側制御面の内側に含まれるように制御されている。
るが、前記低温の領域から断熱領域によって離間されている。同様に、高温の領
域の一部は、好ましくは、前記勾配領域と近接するように配置されているが、断
熱領域によって前記勾配領域から離間されている。便利には、前記低温の領域と
隣接した前記高温の領域の前記部分は、前記熱勾配領域とは実質的に独立して前
記低温の領域から遠ざかる方向に延びる。
は前記流れ制御体の前記外側制御面から前記流れ制御体の内部に延びる。好まし
くは、前記低温の領域は、前記ポートと隣接したところからノズルの前記末端か
ら遠ざかる方向に延びている。
料で形成されているが、前記断熱領域は、便利には、熱伝導率が比較的低い。
表的には空気であるが、熱伝導率が僅かに高く0.05W/m・K程度のカーボ
ン等を適用することもできる。好ましくは、前記比較的低い熱伝導率は、代表的
にはステンレス鋼で得られる値であり、好ましくは20W/m・K程度である。
る温度よりも高い。これとは対照的に、前記比較的低温の領域の温度は、好まし
くは、燃焼付着物が形成される温度よりも低い。
延び、バルブ部材への熱流を更に減少し、及び/又は衝撃効果を減少する中空キ
ャビティをなす部分を残すように行われる。このような中空キャビティは、別の
態様では、熱伝導率が低い材料で充填できる。
辿るのを促すように形成されており且つ位置決めされていてもよい。制御面は外
側表面であってもよいが、別の用途では、内制御面が更に適当である。
面から遠方のその端部から中間直径平面まで徐々に増大し、前記中間直径平面か
ら流れ制御体の他端に向かって徐々に減少してもよい。流れ制御体は、好ましく
は、軸線方向内方に前記バルブ部材の端面に向かって配置された円錐形をなして
末広がりになった上部分、及びこの円錐形をなして末広がりになった部分から軸
線方向外方に配置された円錐形をなして先細になった下部分を含んでもよい。そ
の長さに亘って一定の円形断面の全体に円筒形の接続部分が、特定の構成では、
円錐形をなして末広がりになった部分と円錐形をなして先細になった部分とを離
間する。円錐形をなして末広がりになった部分は、バルブ部材の移動軸線に沿っ
て長さ方向に延びる全体に円筒形のスリーブ部分を含んでもよい。連結部又はス
ピゴット部分に連結できるようにするため、ボアが、この部分を通って延びてい
る。
な幾何学的形状を備えていてもよく、このような形状には、非対称断面を備えた
形状、又は一定形状の断面であるが断面積が変化する形状が含まれる。更に、流
れ制御体は、所望のスプレー形状の形成を補助する溝又はチャンネルを内側又は
外側に備えていてもよい。このような溝又はチャンネルは、更に、流れ制御体の
表面積を増大し、これは、流れ制御体の制御面を更に加熱する上で有用である。
流れ制御体の表面には、空隙周囲での、例えば流れ制御体の最も上側の表面での
剛性を提供するため、支持体、リブ、又は他の構造が設けられていてもよい。
いが、流れ制御体の軸線は、バルブ部材の軸線に対して傾斜し、即ちこの軸線か
らオフセットされていてもよい。このような傾斜即ちオフセットにより、燃料プ
ルームをバルブ部材及びポートの軸線と同軸でない所望の方向に逸らすことがで
き、即ち案内できる。更に、流れ制御体を前記軸線に対して対称に又は非対称に
配置することもできる。
するため、熱伝導率が低い材料で充填された中空部分即ちキャビティが形成され
ていてもよい。熱保持特性は、燃料によって冷却されたバルブ部材及び/又はノ
ズルの部分(即ち比較的低温の領域)まで熱が通過できる流路の熱伝導率が低く
なるために向上する。
って、流れ制御体の制御面を更に効果的に高温に維持できる。これは、代表的に
は最高温度に達する流れ制御体の高温のベースから流れ制御体の残りの外部分に
熱を伝導により伝達することにより行われる。従って、流れ制御体、ノズル、及
び/又はバルブ部材の表面にカーボンが付着することによって生じる問題点がか
なり少なくなる。更に、移動するバルブエレメントに流れ制御体が連結されてい
る場合、このような中空部分又はキャビティを設けることによって重量の軽減を
図ることができ、応答性が更に優れたバルブ機構が得られる。更に、流れ制御体
の形体で使用された中空構造は、バルブ部材自体内に延長でき、かくしてバルブ
部材の開閉移動時の衝撃モーメントが減少する。
適用でき、更に詳細には、燃料をエンジンの燃焼チャンバ内に直接送出するため
のポペット型又はピントル型の燃料インジェクターノズルに適用できる。このよ
うな燃料は、有利には、本出願人の米国再発行特許第RE36768号に記載さ
れているように、空気等の燃焼支持ガスに同伴される。同特許に触れたことによ
り、この特許に開示された内容は本明細書中に含まれたものとする。このような
空気補助式即ち二流体供給式噴射システムは、一般的には、予め計量した量の燃
料をエンジンにその作動に亘って同伴し送出するため、圧縮空気源又は圧縮ガス
源を使用する。この種の燃料インジェクターノズルは、本出願人が特許を持つ燃
焼システムに従って作動する直噴式4ストローク内燃エンジンに容易に適用でき
る。しかしながら、このような燃料インジェクターノズルは、2ストローク内燃
エンジン又は他のエンジンにも適用できる。この他の、エンジン以外の用途も存
在する。
却されたバルブ部材及びノズルの部分まで流し、及び従って熱をインジェクター
ノズルを通してエンジンのシリンダ又はシリンダヘッドに放散できる熱流経路の
断面積を大幅に減少する。熱の保持が不十分である場合にカーボン付着物が発生
する流れ制御体の重要な表面を比較的低温のバルブ部材及びノズルから断熱領域
又は隙間によってこのように物理的に隔離することにより、流れ制御体での熱の
保持を促す。これにより、流れ制御体は、その表面上で発生した又は表面上に付
着したカーボン又は他の粒子を燃え尽くすのに十分高い温度に維持される。従っ
て、これにより、燃料スプレーの形状及び分布を、作動中に、更に確実にでき且
つ再現できる。
る流体又は燃料のスプレーの形体及び経路の制御の補助に流れ制御体を使用する
ことにより、燃焼プロセスの良好な管理、及び従って、排気エミッション及びエ
ンジンの燃料効率の良好な制御に対する寄与が大幅に向上する。これは、エンジ
ンの特定の作動点で、エンジンを順調に作動させる上で、比較的に拡がっていな
い容易に点火できる燃料雲が必要とされる直噴式層状給気エンジンで特に有利で
ある。
の好ましい実施形態の以下の説明から更に容易に且つ完全に理解されるであろう
。
部材、及び流れ制御体は、エンジンの燃焼チャンバへの燃料の送出に使用される
様々な燃料噴射システムに組み込むことができる。これらの構成要素が組み込ま
れたインジェクター又は噴射システムの代表的な形態は、本出願人の米国再発行
特許第RE36768号及び米国特許第5593095号に単なる例として開示
されている。これらの特許に触れたことにより、これらの特許に開示された内容
は本明細書中に含まれたものとする。
体に円筒形形状であり、中央貫通ボア12を有する。バルブ部材13は、ノズル
本体10のボア12と協働するように構成されており、バルブヘッド14及びバ
ルブステム15を含む。ステム15は、ノズル本体10のボア12内で軸線方向
に摺動自在のガイド部分18を有する。バルブステム15は中空であり、そのた
め、バルブステムを通して燃料及び/又は空気を送出できる。更に、ステム15
の壁には、燃料及び/又は空気をステム15の内部からボア12内に通過させる
ことができる開口部16が設けられている。
に設けられたポート17に受入れられる。このポートは、ボア12と連通してい
る。ポート17の壁は截頭円錐形形態であり、バルブ13が閉鎖位置にある場合
に着座ライン20に沿ってバルブヘッド14と係合する。バルブヘッド14から
流れ制御アッセンブリが軸線方向外方に垂下している。流れ制御アッセンブリは
、その別の部分を形成する流れ制御体30が固定的に取り付けられた連結部即ち
スピゴット部分38を含む。流れ制御アッセンブリは、スピゴット部分38及び
流れ制御体30を含む二部品アッセンブリであることがわかるが、製造上の制限
のため、任意の数の部品でアッセンブリを形成できる。同様に一体の構造が可能
である。
バルブヘッド14の表面14aから断熱隙間140によって間隔が隔てられた内
側表面30aを有する。断熱隙間140は、空隙であってもよいし、任意の所与
の時期にエンジンの燃焼チャンバ内に存在するガスによって充填された隙間であ
ってもよい。しかしながら、隙間140は、別の態様として、熱伝導率が低い別
の材料によって部分的に又は完全に充填されていてもよい。隙間140の寸法は
、任意の機械的又は費用に関する条件が加わる流れ制御体30の最大温度を最適
にするように選択できる。このような選択は、計算又は実験によって行うことが
できる。
30は、好ましくは、円錐形をなして末広がりになった(バルブ部材13の軸線
に関して)上部分又は内部分36、及び円錐形をなして先細になった(バルブ部
材13の軸線に関して)下部分又は外部分37を含み、これらの部分は、実質的
に一定直径の円筒形接続部分32によって離間されている。この接続部分32は
、別の態様では、部分36から部分37へ移行する単なる直径方向平面であって
もよい。部分36及び部分37は、両方とも截頭円錐形形状であり、接続部分3
2とともに流れ制御体30の制御面である外側表面33を画成する。上部分36
は、流れ制御体30の装着時にスピゴット38の表面38aと向き合い且つこれ
から間隔が隔てられた全体に円筒形の延長部即ちスリーブ部分41を更に含む。
上部分36及びスリーブ部分41が、バルブヘッド14の下流に配置された本質
的にネックをなして括れたネックイン区分を画成する。このネックイン区分は、
特定の用途では更に著しくなっていてもよい。
ート17から出る燃料スプレーが、流れ制御体30の外側表面33、更に詳細に
は部分32及び37によって画成された制御面の部分に基づく経路を辿るように
選択できる。燃料スプレーが表面33に対して相補的な経路を辿るように、出て
いく燃料スプレーの内境界層が流れ制御体30の外側表面33に沿って流れるよ
うにするため、接続部分32の直径はほとんど実験的に決定される。
特定的に差し向けるように選択できる。これに関し、幾つかの用途では、燃料プ
ルームを小さな角度だけ、例えば火花点火手段に向かって逸らすのが適当である
。この場合、流れ制御アッセンブリ、スピゴット部分38、又は流れ制御体30
は、燃料プルームを必要なように逸らすため、バルブ部材13の軸線に対して適
当に傾斜させてあるのがよい。外側表面33には、特に望ましい燃料プルーム特
性を得るため、溝又はチャンネルが更に形成されていてもよい。
ができる。例えば、流れ制御体は、その先細部分と末広がり部分との間に滑らか
な移行部を持つ長さ方向で湾曲したテーパ形態のガイド面を備えていてもよい。
流れ制御体は、別の態様では、例えば三角形又は矩形形態の角錐形態であっても
よいし、円筒形形態であってもよい。流れ制御体は、更に、バルブ部材13の中
央軸線を中心として対称であっても非対称であってもよい。
制御体30の場合にはその部分36、37、41を通してボア39が延びている
。このボア39の中央軸線は、バルブ部材13の中央軸線と整合していてもよい
が、必ずしもそうでなくてもよい。ボア39は、それ自体が二つの区分、即ち、
上区分又は内区分39a及び下区分又は外区分39bを備えていてもよい。区分
39aの内方に配置された端部は、テーパしているか或いは面取りが施してある
のがよい。両区分39a及び39bは全体に円筒形であり、バルブ部材13の中
央軸線と同軸であるが、この場合も必ずしもそうでなくてもよい。バルブ部材1
3の中央軸線に対し任意の形状又は関係を採用できる。内区分39aは外区分3
9bよりも大径であり、以下の目的で役立つ。
嵌着し、バルブヘッド14の端面14aとこれに最も近い流れ制御体表面30a
との間に全体に環状の断熱隙間140を形成する。ボア39の内区分39aのテ
ーパした即ち面取りを施した端部42により、スピゴット部分38とバルブヘッ
ド14との間の移行領域43のところで、流れ制御体表面30aとバルブヘッド
14との間に断熱隙間140を形成できる。
外区分39bと界面を形成し、即ち外区分にプレス嵌めされているが、例えば溶
接やはんだ付けによって流れ制御体30を区分39bの外端のところに更に固定
することができる。溶接部83を図2に示す。
ことにより特定の利点を提供できる。詳細には、このような構成により、様々な
設計又は形体の制御体30に同じ設計のインジェクターノズルを嵌着できる。更
に、特定の用途では、流れ制御体30は、スピゴット部分38に取り外し自在に
取り付けられるように構成できる。
41の内壁41aと、ボア39の区分39aの壁と、これらと向き合ったスピゴ
ット部分38の表面38aとの間に残された断熱隙間部分141を含む。このこ
とは、ボアの内区分39aがスピゴット部分38よりも大径であるために得られ
る。最適幅が約0.2mmであるが、何らかの機械的又は冶金学的制限を受ける
流れ制御体30の最大温度を最適にするためにこの幅を決定できる。断熱隙間部
分141は、スリーブ部分41の内壁と、ボア39の内区分39aと、スピゴッ
ト部分38との間で長さ方向に(バルブ部材14の移動軸線に対して)延びる。
かくして、断熱隙間140及び141は、一緒になって、全体に「L形状」断面
の断熱領域を流れ制御体30内に画成する。隙間部分141は、流れ制御体30
の円錐形をなして先細になった外部分37に末端を有する。断熱隙間部分141
は、所与の時期にエンジンの燃焼チャンバ内に存在する空気又は他のガスで充填
されていてもよい。別の態様では、断熱隙間部分141は、所望であれば、熱伝
導率が低い別の材料で充填されていてもよい。いずれにせよ、空隙141の長さ
方向長さは、制御体30の制御面33への良好な熱流を可能にするが、スピゴッ
ト部分38への及び従ってバルブ部材13及びノズル本体10への熱伝達を制限
するように選択できる。特定の構成では、断熱部分140及び141は、単に流
れ制御体30内にあるように構成できる。
結することにより、流れ制御アッセンブリ30、38からバルブ部材13への熱
流が二つの方法で制限されるということに着目されたい。第1に、スピゴット部
分38は、流れ制御体30と比較して断面積がその長さに亘って大幅に減少して
いる。ここで、スピゴット部分38を部分的に中空にすることによって、又は断
熱材料製のコアを備えて形成することによって断面積を更に大幅に減少できると
いうことにも着目されたい。第2に、断熱隙間140及び断熱隙間部分141は
、流れ制御体30とスピゴット部分38との間の連結部での熱伝達断面積即ち熱
流断面積を更に小さくすることによって、流れ制御部分30、38からバルブ部
材13への熱流を更に制限する。従って、この構造は、一般的に温度が最高の流
れ制御体30のベースから外側表面33への伝導による熱伝達を促し、かくして
カーボンが前記表面上に付着しないようにすると同時にバルブ部材13への熱伝
達を最少にする。即ち、流れ制御体30の特定の重要な表面をインジェクター本
体10から物理的に断熱することによって、熱即ち高温を流れ制御体30の末端
に、特定的にはその制御面に保持すると同時に、このような熱が燃料によって冷
却されるバルブ部材13即ちノズル本体10に伝達しないように制限する。
外方に拡がる燃料スプレーが提供される場合、流れ制御体30の接続部分32で
の直径をバルブヘッド14の直径よりも大きくするのが望ましい。しかしながら
、接続部分32での直径は、ノズルから出る燃料スプレー内に又はこのスプレー
を通って延びるような直径であってはならない。これは、このような場合には、
本発明の目的と異なり、燃料スプレーを壊し、及び/又は外方へ逸らしてしまう
ためである。
4の直径よりも小さい。これは、代表的には、出てくる燃料スプレーが、上述の
ように、ノズルを離れた後に自然に小さくなり、かくして流れ制御体30の外側
表面33と接触するためである。更に、バルブヘッド14の端面と流れ制御体3
0の接続部32での外側表面33の開始部との間の軸線方向間隔は、出てくるス
プレーの外側表面33に沿った流れを促すように選択される。
又は燃料の性質、及びノズルから送出される燃料又は流体の速度及び方向を含む
多くの要因の影響を受けるということは当業者には理解されよう。
れ制御体30(図7参照)の表面30a間に空隙又は断熱領域が配置された流れ
制御体を含むバルブ部材、及びバルブ部材13と連結部即ちネック部分135を
含む流れ制御体130との間に空隙がないバルブ部材(図8参照)についての温
度分布プロットの比較を示す。両温度プロットは、同じエンジン作動条件で得ら
れた。流れ制御体のベースで、図7では555℃の最大温度に達し、図8では4
63℃の最大温度に達するということは理解されよう。図7の流れ制御体30の
熱保持特性は、カーボンが付着する危険が小さく、スプレー制御が良好であり、
流れ制御体30を組み込んだ燃料インジェクターノズルでのエンジン性能が流れ
制御体130を組み込んだ燃料インジェクターノズルよりも優れているといった
優れた結果をもたらす。即ち、図7は、断熱領域を流れ制御体30に配置するこ
とにより、外側表面33に高温を維持でき、このような高温が、流れ制御体30
の末端から離れたバルブ部材13又はノズル本体10では生じないということを
示す。更に、バルブヘッド14と隣接したネックイン領域の及びこのネックイン
領域と隣接した外側表面33は、構成によっては付着物の形成の懸念がある重要
な領域であり、バルブ部材13への伝熱レベルを大幅に上昇することなく、かな
り高温(即ち177℃と比較して445℃)に維持できる。
バルブエレメント及び流れ制御体230を示し、これは、作動中にカーボン付着
物が形成され易い場合の一例を提供する。従って、このような付着物240は、
流れ制御体に断熱領域が含まれており且つ本発明の伝熱制限の特徴が含まれてい
る場合には、バルブ部材213と隣接して制御体230の特定の表面上に形成さ
れることは少ない。
制御体30の比較的高温の領域から断熱部分140、141及び熱勾配領域70
によって分けられる。この勾配領域70は、主に流れ制御体30内にあるように
制御され、更に詳細には外側表面33の内部に配置される。高温の領域の多くは
、実際には、外側表面33のところに及び外側表面と隣接して存在する。高温の
領域と低温の領域との間に断熱部分140及び141、及び勾配領域70の夫々
が存在することにより、低温の領域と近接した高温の領域は(断熱部分140の
ところで)、熱勾配領域70とは実質的に独立して、低温の領域から遠ざかる方
向に延長できる。勾配領域70を外側表面33の内部に包含すること、及び高温
の領域が流れ制御体の外側表面33に及びこの外側表面と隣接して配置されてい
ることにより、流れ制御体30の重要な表面がカーボン形成範囲よりも高い温度
で作動することを容易にし、これによって効果的なインジェクター付着制御を提
供するのに役立つ。上文中に説明したように、噴射されたスプレープルームがこ
のような付着物の存在により壊される場合、特に流れ制御体30のネックイン領
域で起こる。
等の燃焼支持ガス即ち燃料促進ガスに同伴された燃料を噴射するインジェクター
を含む全ての構造のポペット型燃料インジェクターノズルに適用できる。上文中
に説明したものに対する変形例のインジェクターノズルを図9に示す。バルブ部
材214のバルブステム215が、この場合には、中空でなく中実であるという
ことに着目されたい。本発明を適用できる特定のノズル構造の例が本出願人の米
国再発行特許第RE36768号、米国特許第5090625号、米国特許第5
593095号、及び米国特許第5685492号に開示されている。これらの
特許に触れたことにより、これらの特許に開示された内容は本明細書中に含まれ
たものとする。更に、ここに開示したインジェクターノズルは、燃料以外の流体
を、燃料スプレー又は流体スプレーを同様に有利に制御しつつ噴射するのにも使
用できる。更に、本出願人のインジェクターノズルは、ピントル型のバルブで同
様に良好に使用できる。
特許第5593095号に開示された、カーボン粒子又は他の堆積物を減少し又
は制御するための方法と関連して使用できる。更に、本発明の燃料インジェクタ
ーノズルは、本出願人の現在係属中のオーストラリア国仮特許出願第PQ708
1号及び第PQ7082号に開示されているような他の付着物制御方法と関連し
て使用するのに適用できる。
の範囲の範疇でこの他の変更を開発できる。本発明は、燃料を燃焼チャンバ又は
エンジンの空気供給システムに直接供給するインジェクターノズルに適用でき、
2ストロークエンジン及び4ストロークエンジンの両方に、特に、エンジンの作
動負荷範囲の特定の点で層状燃料分布で作動するエンジンに適用できるというこ
とは理解されるべきである。確かに、本発明は、本出願人が特許を所有する燃焼
プロセスに従って作動する直噴式4ストロークエンジンの特定の利点を伴って適
用できる。更に、インジェクターノズルは、内燃エンジンへの燃料の送出以外の
用途で使用できる。
連結する前の斜視図である。
である。
れ制御体アッセンブリについての温度分布のプロットである。
のプロットである。
Claims (37)
- 【請求項1】 流体を通過させて送出するインジェクターノズルにおいて、前記ノズルは、内
側表面を持つポート及び相補的外側表面を持つバルブ部材を有し、このバルブ部
材は、流体をスプレーの形態で送出するための前記表面間の通路又は流体の送出
を阻止するための前記表面間の密封接触をそれぞれ提供するために、前記ポート
に対して移動自在であり、前記インジェクターノズルは、前記ポートの末端を越
えて配置された流体流れ制御体を有し、この流れ制御体は、前記ポートから前記
バルブ部材の移動方向で下流に配置された制御面を有し、この制御面は、前記ポ
ートから出る流体によって形成された流体スプレーが、部分的に、前記制御面の
形状によって決定された経路を辿るのを促すように形成され且つ位置決めされて
おり、前記流れ制御体は、前記制御面から前記ノズルへの熱伝達を制限するよう
に構成された断熱領域を含む、インジェクターノズル。 - 【請求項2】 請求項1に記載のインジェクターノズルにおいて、前記流れ制御体は、前記ノ
ズルに連結された連結部に配置されており、この連結部は、前記ノズルの前記バ
ルブ部材の端面に連結され且つここから外方に延びている、インジェクターノズ
ル。 - 【請求項3】 請求項1又は2に記載のインジェクターノズルにおいて、前記断熱領域は、前
記バルブ部材の端面に最も近い前記流れ制御体の前記制御面の一部が前記バルブ
部材の前記端面から前記断熱領域によって離間されるように構成されている、イ
ンジェクターノズル。 - 【請求項4】 請求項3に記載のインジェクターノズルにおいて、前記断熱領域は、前記バル
ブ部材の前記端面と前記流れ制御体の最も上側の部分との間に配置されている、
インジェクターノズル。 - 【請求項5】 請求項2,3又は4に記載のインジェクターノズルにおいて、前記断熱領域は
、前記連結部の表面とこれと向き合った前記流れ制御体の表面との間を延びるよ
うに構成されている、インジェクターノズル。 - 【請求項6】 請求項5に記載のインジェクターノズルにおいて、前記流れ制御体の前記向き
合った表面は、前記流れ制御体の前記制御面の一部と隣接して配置されている、
インジェクターノズル。 - 【請求項7】 請求項1乃至6のうちのいずれか一項に記載のインジェクターノズルにおいて
、前記制御面は、多数の外側突出面を含み、これらの表面は一緒になって制御面
を画成する、インジェクターノズル。 - 【請求項8】 請求項1乃至7のうちのいずれか一項に記載のインジェクターノズルにおいて
、前記流れ制御体の前記断熱領域は、全体にL形状断面を持つように構成されて
いる、インジェクターノズル。 - 【請求項9】 請求項1乃至8のうちのいずれか一項に記載のインジェクターノズルにおいて
、前記流れ制御体は、前記流れ制御体の前記制御面が前記ノズルポートから開放
時の前記バルブ部材の移動方向に離間されるようにネックイン部分によって前記
ノズルの残部から離してある、インジェクターノズル。 - 【請求項10】 請求項9に記載のインジェクターノズルにおいて、前記流れ制御体は、前記バ
ルブ部材の前記端面に前記ネックイン部分によって連結されている、インジェク
ターノズル。 - 【請求項11】 請求項1乃至10のうちのいずれか一項に記載のインジェクターノズルにおい
て、前記断熱領域は断熱隙間部分である、インジェクターノズル。 - 【請求項12】 請求項11に記載のインジェクターノズルにおいて、前記断熱隙間部分は、断
熱材料又は熱伝導率が低い材料で部分的に又は全体が充填されている、インジェ
クターノズル。 - 【請求項13】 請求項1乃至12のうちのいずれか一項に記載のインジェクターノズルにおい
て、前記断熱領域は、前記流れ制御体の前記制御面が、作動中、カーボン形成範
囲よりも高い温度に維持されて付着物制御が効果的になされるように構成されて
いる、インジェクターノズル。 - 【請求項14】 請求項2乃至13のうちのいずれか一項に記載のインジェクターノズルにおい
て、前記連結部は、スピゴット部分の形態であり、前記流れ制御体は前記スピゴ
ット部分を少なくとも部分的に収容するためのボアを含む、インジェクターノズ
ル。 - 【請求項15】 請求項14に記載のインジェクターノズルにおいて、前記断熱部分の少なくと
も一部が前記スピゴット部分と前記流れ制御体の前記ボアとの間に配置されてい
る、インジェクターノズル。 - 【請求項16】 請求項1乃至15のうちのいずれか一項に記載のインジェクターノズルにおい
て、前記バルブ部材への熱流を減少するため、前記流れ制御体に一つ又はそれ以
上のキャビティを更に含む、インジェクターノズル。 - 【請求項17】 請求項16に記載のインジェクターノズルにおいて、前記キャビティは熱伝導
率が低い材料で少なくとも部分的に充填されている、インジェクターノズル。 - 【請求項18】 請求項1乃至17のうちのいずれか一項に記載のインジェクターノズルにおい
て、前記流れ制御体はその長さに亘って実質的に円形断面であり、前記バルブ部
材の前記端面から遠方のその端部から中間直径平面又は部分まで直径が徐々に増
大し、この中間直径平面又は部分からその反対側の端部に向かって直径が徐々に
減少する、インジェクターノズル。 - 【請求項19】 請求項18に記載のインジェクターノズルにおいて、前記流れ制御体の前記中
間直径部分は、更に、全体に円筒形の中間接続部分である、インジェクターノズ
ル。 - 【請求項20】 請求項18又は19に記載のインジェクターノズルにおいて、前記バルブ部材
の移動軸線に沿って長さ方向に延びる全体に円筒形のスリーブ部分を更に含む、
インジェクターノズル。 - 【請求項21】 請求項1乃至20のうちのいずれか一項に記載のインジェクターノズルにおい
て、前記バルブ部材はポペット型である、インジェクターノズル。 - 【請求項22】 請求項1乃至20のうちのいずれか一項に記載のインジェクターノズルにおい
て、前記バルブ部材はピントル型である、インジェクターノズル。 - 【請求項23】 請求項1乃至22のうちのいずれか一項に記載のインジェクターノズルにおい
て、前記ノズルは、4ストローク内燃エンジン用燃料インジェクターノズルであ
る、インジェクターノズル。 - 【請求項24】 請求項1乃至23のうちのいずれか一項に記載のインジェクターノズルにおい
て、前記ノズルは、2ストローク内燃エンジン用燃料インジェクターノズルであ
る、インジェクターノズル。 - 【請求項25】 請求項1乃至24のうちのいずれか一項に記載のインジェクターノズルにおい
て、前記ノズルは、空気補助燃料噴射システムで使用するように構成された燃料
インジェクターノズルである、インジェクターノズル。 - 【請求項26】 請求項1乃至25のうちのいずれか一項に記載のインジェクターノズルにおい
て、前記ノズルは、直噴式層状給気エンジン用燃料インジェクターノズルである
、インジェクターノズル。 - 【請求項27】 少なくとも燃料を通過させてエンジンに送出するためのポートを持つ燃料イン
ジェクターノズルにおいて、前記ノズルは、前記ポートの外側に配置された流れ
制御体を更に含み、これにより、使用時に、前記ノズルは、燃料が前記ノズル内
部に配置されていることによる前記ポートと隣接した比較的低温の領域、及び比
較的高い燃焼チャンバ温度に露呈されることによる前記流れ制御体の比較的高温
の領域を含み、前記低温の領域及び前記高温の領域は、その間に熱勾配領域を形
成し、前記流れ制御体の少なくとも一部は断熱領域を含み、前記断熱領域は、前
記熱勾配領域が前記流れ制御体内に含まれるように制御されるように、前記低温
の領域の少なくとも一部と前記高温の領域の少なくとも一部との中間に配置され
ている、燃料インジェクターノズル。 - 【請求項28】 請求項27に記載の燃料インジェクターノズルにおいて、前記流れ制御体は外
側制御面を含み、前記高温の領域は主に、前記外側制御面のところに又はその直
ぐ近くに配置されている、燃料インジェクターノズル。 - 【請求項29】 請求項27又は28に記載の燃料インジェクターノズルにおいて、前記勾配領
域は、前記流れ制御体の前記外側制御面の内側に含まれるように制御されている
、燃料インジェクターノズル。 - 【請求項30】 請求項27、28、又は29に記載の燃料インジェクターノズルにおいて、前
記高温の領域の一部が前記低温の領域と近接して配置されているが、前記断熱領
域によって前記低温の領域から離間されている、燃料インジェクターノズル。 - 【請求項31】 請求項27乃至30のうちのいずれか一項に記載の燃料インジェクターノズル
において、前記高温の領域の一部は前記勾配領域と近接して配置されているが、
前記断熱領域によって前記勾配領域から離間されている、燃料インジェクターノ
ズル。 - 【請求項32】 請求項30に記載の燃料インジェクターノズルにおいて、前記低温の領域と隣
接した前記高温の領域の前記部分は、前記熱勾配領域とは実質的に独立して前記
低温の領域から遠ざかる方向に延びる、燃料インジェクターノズル。 - 【請求項33】 請求項27乃至32のうちのいずれか一項に記載の燃料インジェクターノズル
において、前記流れ制御体は、前記ノズルの末端を画成し、前記高温の領域は前
記流れ制御体の前記外側表面から前記流れ制御体の内部に延びる、燃料インジェ
クターノズル。 - 【請求項34】 請求項33に記載の燃料インジェクターノズルにおいて、前記低温の領域は、
前記ポートと隣接したところから前記ノズルの前記末端から遠ざかる方向に延び
ている、燃料インジェクターノズル。 - 【請求項35】 請求項27乃至34のうちのいずれか一項に記載の燃料インジェクターノズル
において、前記流れ制御体及び前記熱勾配領域は熱伝導率が比較的高く、前記断
熱領域は熱伝導率が比較的低い、燃料インジェクターノズル。 - 【請求項36】 請求項35に記載の燃料インジェクターノズルにおいて、前記低い熱伝導率は
0.02W/m・K程度であり、前記高い熱伝導率は20W/m・K程度である
、燃料インジェクターノズル。 - 【請求項37】 請求項27に記載の燃料インジェクターノズルにおいて、前記比較的高温の領
域の温度は、作動中、燃焼付着物が形成される温度よりも高い、燃料インジェク
ターノズル。
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