JP4550991B2 - Fuel / water injection internal combustion engine - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料噴射ポンプから燃料通路を経て供給された高圧の燃料と、水供給ポンプから供給された水とを1つの燃料噴射弁から燃焼室内に噴射するように構成された燃料・水噴射内燃機関に関する。
【0002】
【従来の技術】
デイーゼル機関においては、窒素酸化物(NOx)低減のための有効な技術として、燃料噴射弁から燃料と水とを燃焼室内に噴射する燃料・水噴射デイーゼル機関が提案されている。
かかる技術の一つとして、本件出願人の出願に係る特許第2772114号の発明がある。図10はかかる発明の構成を示し、図において、001は燃料噴射ポンプ、3は燃料噴射弁、01は燃料タンク、02は燃料給油ポンプ、019は水タンク、018は水供給ポンプ、016は燃料噴射弁への水の供給を制御する制御弁、020は該制御弁016に開閉制御するコントロール装置である。
【0003】
かかる燃料・水噴射デイーゼル機関において、水タンク019より水供給ポンプ018によって圧送された水は水供給管017を通り前記制御弁016に送られる。燃料噴射ポンプ001の燃料吐出休止期間中に、前記コントロール装置020を介して前記制御弁016は開弁され、所定量の水を供給管015を介して前記燃料噴射弁3の水供給路021に送り込む。
このとき、燃料噴射ポンプ001の逆止弁07の開弁圧力Pr、前記水供給路021の燃料弁内逆止弁4の開弁圧力Pp、燃料噴射弁3の針弁011の開弁圧力P0とすると、
P0>Pr、P0>Pp
と設定されているため、前記燃料噴射弁3の水供給路021に供給された水は、燃料弁内逆止弁4を経て水通路030及び燃料と水との合流部031を通り燃料通路022内に流入する。
【0004】
前記燃料通路022内の合流部031よりも燃料噴射ポンプ001側にある燃料は該燃料噴射ポンプ001の方向に高圧燃料管08を通して押し戻される。その結果、前記燃料噴射弁3内には油溜部012及び該油溜部012から合流部031までの容積分の燃料で満たされ、該合流部031の上流側の燃料通路022には所定量の水が満たされ、さらにその上流側には再び燃料が満たされた層状状態となっている。
【0005】
次いで、前記燃料噴射ポンプ001の吐出が開始されて燃料噴射弁3内の燃料が圧縮され、圧力が上昇して該燃料噴射弁3の開弁圧力P0以上になると、針弁011が開かれ噴射が開始される。該噴射は、前記のように層状状態にある燃料及び水のうち、先ず燃料が噴射され、着火遅れ期間を経た後、燃焼を開始する。
引き続き水が燃焼中の先行燃料噴霧火炎をめがけて噴射される。このとき噴射される水も噴霧となってその内部に燃焼室内の空気を取り込んでいるため、先行噴射された燃料に空気を供給する形となって燃焼が活発化される。
そして、最後に残りの燃料が、先行した水噴霧の中に噴射され燃焼する。かかる燃料と水の噴射に伴う熱的影響により火炎の温度上昇が抑えられ、NOxの発生が抑制される。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
図10に示される特許第2772114号の発明においては、燃料噴射弁3に燃料と水とを層状に充填した後、高圧燃料により燃焼室内に押し出して噴射し、かかる燃料と水の噴射に伴う熱的影響により火炎の温度上昇が抑えられ、NOxの発生が抑制される。
しかしながら、かかる従来技術にあっては、燃料噴射弁3への注水量を、コントロール装置020により制御弁016のストローク及び開弁タイミングを変化させて制御しているため、所要の注水量及び注水タイミングを得るには該制御弁016の制御精度を高く維持することを要し、注水制御に困難を伴う。
また、かかる従来技術にあっては、前記のように、制御弁016を高い制御精度で以って制御操作することから、該制御弁016について高精度のタイミング制御を行うコントロール装置020、該制御弁016に操作力を付与するための作動油圧発生装置及び電気的駆動装置等の制御操作機器を必要とするため、装置コストが高騰する。等の問題点を有している。
【0007】
本発明は、かかる従来技術の課題に鑑み、比較的簡単な制御方法で以って高精度の注水制御を行い得、かつ注水量の制御操作機器の装置コストが低減された燃料・水噴射内燃機関を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明はかかる課題を解決するため、請求項1記載の発明として、燃料と水とを燃焼室に噴射する燃料・水噴射内燃機関であって、燃料噴射ポンプと連通する燃料通路と逆止弁とを内蔵しかつ該燃料通路と合流する水供給路とを有する燃料噴射弁と、前記燃料噴射ポンプが休止している間に所定量の水を前記水供給路を通じて合流部から前記燃料通路内に供給する水供給手段を備えるとともに、前記燃料噴射弁の油溜部の容積と前記合流部から油溜部までの容積の合計が全燃料噴射量の5%以上75%以下である燃料・水噴射内燃機関において、
水供給ポンプから水通路を経た水が収容される水室内の圧力と該水室に対し注水ピストンを隔てて形成された作動油室内の圧力との圧力差により前記水を前記燃料噴射弁に圧送する、注水ピストン装置を前記水通路に設けるとともに、作動油入口通路から導入された作動油を加圧して前記注水ピストン装置の作動油室に作動油通路を経て送給する作動油ポンプを設け、
該注水ピストン装置は、ピストンが、シリンダからなる水室内を往復摺動自在に嵌合され、前記圧力差により移動せしめられる自由ピストンにて構成され、前記水室出口の前記水通路には前記燃料噴射弁に向かう流れのみを可能とする注水逆止弁が設けられるとともに、前記水室入口の前記水通路には該水室に向かう流れのみを可能とする注水逆止弁が設けられ、
更に前記作動油ポンプは、プランジャバレル内に往復摺動自在に嵌合されたプランジャの往復動によりプランジャ室内の作動油を前記注水ピストン装置に送出すると共に、該プランジャの有効行程を変化させることにより作動油送出流量を調整可能に構成し、且つ前記作動油ポンプに設けられた作動油カムのプロフィールを所要の形状に設定することにより、該作動油ポンプによる作動油の供給タイミングを調整可能に構成し、
前記作動油カムのプロフィール形状を、前記燃料噴射ポンプの燃料吐出休止期間中に、作動油ポンプの作動油カムの回転により作動油室に入った高圧の作動油を前記注水ピストンの作動油室側に作用させて前記注水ピストンの水室内に導入されていた水を燃料噴射弁に送り込ませるプロフィール形状に設定したことを特徴とする燃料・水噴射内燃機関を提案する。
【0011】
請求項2ないし3記載の発明は、ジャーク式ポンプからなる前記作動油ポンプの具体的構成に係り、請求項2の発明においては、ジャーク式ポンプからなる前記作動油ポンプは、
前記プランジャ室の圧力により開弁して該プランジャ室内の作動油を前記注水ピストン装置に送出する作動油吐出弁と、前記プランジャ室と前記作動油通路とを前記作動油吐出弁をバイパスする戻り通路に設けられて該作動油通路からプランジャに向かう流れのみを可能とする作動油逆止弁とを備えてなる。
【0012】
請求項3の発明においては、前記ジャーク式ポンプからなる前記作動油ポンプは、前記プランジャ室と作動油通路との間に、作動油通路面積を縮小する絞り機構を設けてなる。
【0013】
請求項4記載の発明は、請求項1において、前記注水ピストン装置の作動油室と前記作動油ポンプへの作動油入口管に作動油を供給するための作動油タンクとを接続する作動油戻り通路、並びに機関回転数、機関負荷等の機関運転条件により該作動油戻り通路を開閉する電磁弁を設けて、前記作動油タンクから作動油入口通路、作動油ポンプ、作動油通路、注水ピストン装置、電磁弁、及び作動油戻り通路をこの順に経て前記作動油タンクに至る作動油の循環路を形成したことを特徴とする。
【0014】
かかる発明によれば、通常用いられているジャーク式燃料噴射ポンプ等の、作動油供給タイミング及び作動油流量を調整可能な作動油ポンプにより、作動油供給タイミング及び作動油流量を調整して、作動油を注水ピストン装置に供給あるいはこれを遮断することにより、該注水ピストン装置を作動させ、該注水ピストン装置によって燃料噴射弁への水の供給、遮断をなさしめるようにしたので、ジャーク式燃料噴射ポンプと同様な構造の作動油ポンプの作動油供給タイミング及び作動油流量を調整するのみという比較的簡単な制御手段で、注水量及び注水タイミングを高精度で制御できる。
【0015】
また、前記のように、ジャーク式燃料噴射ポンプと同様な作動油供給タイミング及び作動油流量を調整可能な作動油ポンプと、シリンダ内にフリーピストン構造の注水ピストンを嵌合した簡単な構造の注水ピストン装置とを組み合わせて燃料噴射弁への水の供給システムを構成したので、従来技術のような電子制御の制御弁、該制御弁のタイミング制御を行うコントロール装置、該制御弁に操作力を付与するための作動油圧発生装置及び電気的駆動装置等の格別な制御操作機器が不要となり、きわめて簡単かつ低コストの装置で以って、燃料・水噴射システムを構成することができる。
【0016】
また請求項3の発明によれば、絞り機構によって、注水ピストン装置の注水ピストンの振動等を伴う急激な移動を緩和することができ、これによって、注水ピストン装置への作動油の供給が脈動等を伴うことなくなされることとなり、注水ピストン装置による水の供給動作が安定化される。
また、簡単な構造の絞り機構を設ければ済むので、構造が簡単化され低コストとなる。
【0017】
さらに請求項4の発明によれば、前記作動油タンクから作動油入口通路、作動油ポンプ、作動油通路、注水ピストン装置、電磁弁、及び作動油戻り通路をこの順に経て前記作動油タンクに至る作動油の循環路を形成し、該循環路の作動油戻り通路を電磁弁により機関運転条件に適応したタイミングで開閉するので、作動油が毎サイクル作動油タンクに戻されて該作動油タンクにて冷却されることとなり、作動油の温度上昇が抑制されるとともに、注水ピストン装置における作動油の残圧が完全に除去されて次のステップにおける水の供給が抵抗なくスムーズになされる。これにより、作動油ポンプ及び注水ピストン装置による水の供給作用が安定化される。
【0018】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載される構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載が無い限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
【0019】
図1は本発明の第1実施例に係るデイーゼル機関の燃料・水噴射システムの構成図、図2は第2実施例に係るデイーゼル機関の燃料・水噴射システムの構成図、
図3は第3実施例に係るデイーゼル機関の燃料・水噴射システムの構成図、図4は注水ピストン装置の断面図、図5は前記第1実施例における燃料噴射ポンプ及び作動油ポンプの構造を示す断面図、図6は前記第2実施例における燃料噴射ポンプ及び作動油ポンプの構造を示す断面図、図7は前記第3実施例における燃料噴射ポンプ及び作動油ポンプの構造を示す断面図である。図8は前記第1ないし第3実施例における燃料噴射弁の断面図である。図9は前記第1ないし第3実施例の作用説明図である。
【0020】
図1に示される第1実施例において、1は燃料噴射ポンプで、図5に示されるような公知のジャーク式燃料噴射ポンプからなる。3はその詳細が図8に示されている燃料噴射弁である。また、6はその詳細が図8に示されている作動油ポンプである。
13は燃料タンク、31は該燃料タンク13と前記燃料噴射ポンプ1の燃料入口とを接続する燃料供給管、12は前記燃料供給管31に設けられ燃料タンク13内の燃料を燃料噴射ポンプ1に送給する燃料供給ポンプである。2は前記燃料噴射ポンプ1からの高圧燃料出口と前記燃料噴射弁3の燃料入口とを接続する高圧燃料管である。
【0021】
5は注水ピストン装置であり詳細は後述する。11は注水タンク、34は該注水タンク11と前記注水ピストン装置5の水入口とを接続する注水管、10は該注水管34に設けられて注水タンク11内の水を注水ピストン装置5に送給する注水ポンプである。32は前記注水ピストン装置5の水出口と前記燃料噴射弁3の水入口とを接続する注水管である。
15は作動油タンク、33は該作動油タンク15と前記作動油ポンプ6の作動油入口とを接続する作動油入口管、14は該作動油入口管33に設けられ作動油タンク15内の作動油を作動油ポンプ6に送給する作動油供給ポンプである。また、35は前記作動油ポンプ6の作動油出口と前記注水ピストン装置5の作動油入口とを接続する作動油管である。
【0022】
前記燃料噴射ポンプ及び作動油ポンプの詳細を示す図5において、1は燃料噴射ポンプで次のように構成されている。
25はプランジャバレル24の内周に往復摺動自在に嵌合されたプランジャ、17は燃料吐出弁、18は燃料逆止弁であり、該プランジャ25の上動によりプランジャ室25a内の燃料を高圧に加圧し、該高圧燃料が前記燃料吐出弁17を押し開いて前記高圧燃料管2に吐出されるようになっている。
該燃料噴射ポンプ1は、前記のように公知のジャーク式燃料噴射ポンプからなり、燃料調整ラック(図示省略)の往復動により前記プランジャ25の有効行程を変化させることにより、高圧燃料管2に吐出される燃料噴射量を調整するように構成されている。13は燃料タンク、31は燃料供給管、12は燃料供給ポンプである(何れも図1参照)。
110は前記燃料調整ラックの位置即ち燃料噴射量を検出するラック位置検出器で、該ラック位置検出器110からの燃料調整ラック位置(燃料噴射量)の検出信号は後述するコントローラ106に入力される。111は機関回転数を検出する回転数検出器で、該回転数検出器111からの機関回転数の検出信号も前記コントローラ106に入力される。
【0023】
6は作動油ポンプで次のように構成されている。
101はポンプケース、102は該ポンプケース101の内部に固着されたプランジャバレル、103は該プランジャバレル102の内周に往復摺動自在に嵌合されたプランジャ、103aは該プランジャバレル102内のプランジャ103上面に臨んで形成されたプランジャ室、0111は前記プランジャバレル102に設けられた給油孔である。113は前記プランジャ103の下端に固定されたタペット、115は該タペット113に支持されたプランジャスプリングで、該タペット113を図1に示す作動油カム114に押圧している。
8は前記プランジャ室103aの出口側に設けられた作動油吐出弁で、前記燃料噴射ポンプ1の燃料吐出弁17と同様な構造を有する。7は作動油逆止弁で、前記燃料噴射ポンプ1の燃料逆止弁18と同様な構造を有し、
前記燃料吐出弁17が設けられている吐出弁室と前記プランジャ室103aとを接続する戻り通路に設けられている。
【0024】
109は前記プランジャ103の回転機構112に噛合される吐出流量調整用のラック、108は該ラック109に噛合されるピニオンである。107はアクチュエータで、後述するコントローラ106からの制御信号により作動し、その出力端が前記ピニオン108に連結されており、前記アクチュエータ107の操作力によりピニオン108が回転して前記ラック109を往復動せしめ、該ラック109に噛合しているプランジャ103の回転機構112を介してプランジャ103を回転させることによりその有効行程を変化させて、作動油管35を通して前記注水ピストン装置5への作動油流量を調整するように構成されている。
106はコントローラで、前記回転数検出器111からの機関回転数の検出信号及び前記ラック位置検出器110からの燃料調整ラック位置(燃料噴射量)の検出信号が入力され、これらの検出信号に基づき機関の運転状態に対応する作動油流量を算出し、前記アクチュエータ107に該作動油流量に相当する操作信号を出力する。
また、15は作動油タンク、33は作動油入口管、14は作動油ポンプである(何れも図1参照)。
【0025】
前記燃料噴射弁3の詳細を示す図8において、09は本体、033はノズルチップ、010は該ノズルチップ033の先端部に複数穿孔された噴孔、011は該ノズルチップ033内に往復摺動可能に嵌合された針弁、014は該針弁011の開弁圧力を設定する針弁ばね、012は前記針弁011の先端部が臨む油溜部である。022は入口端が前記高圧燃料管2に接続され出口端が前記油溜部012に接続される燃料通路である。021は入口端が前記注水ピストン装置5からの注水管32に接続され出口端が前記ノズルチップ033下部に形成された水通路030に接続される水供給通路である。また、前記水通路030の出口端は前記燃料通路022の下部に合流されて合流部031を形成している。
【0026】
4は前記水供給通路021に設けられた燃料弁内逆止弁で、前記注水管32側から合流部031側に向かう流れのみを許容するように、かつその開弁圧力Ppを前記針弁011の開弁圧力P0よりも小さく構成されている。
以上に示された燃料噴射弁3の基本構造は図10に示される特許第2772114号の発明における燃料噴射弁と同様である。
【0027】
前記注水ピストン装置の詳細を示す図4において、51はシリンダ、52は該シリンダ51内に往復摺動自在に嵌合された注水ピストン、56は該注水ピストン52の外周部に嵌挿されたシールリングである。前記シリンダ51内は、前記注水ピストン52により水室53と作動油室54とに区画されており、該注水ピストン52は、前記作動油室54と水室53との圧力差により移動せしめられる自由ピストンにて構成される。
【0028】
前記作動油室54には、前記作動油ポンプ6からの作動油が前記作動油管35及び作動油入口55を経て導入されるようになっている。9は入口側の注水逆止弁で、前記注水管34に接続され該注水管34側から水室53に向かう流れのみを許容するように、球状の弁体9aを所定の開弁圧力に設定されたばね9bにて押圧して構成されている。また、16は出口側の注水逆止弁で、前記注水管32に接続され前記水室53側から該注水管32に向かう流れのみを許容するように、球状の弁体16aを所定の開弁圧力に設定されたばね16bにて押圧して構成されている。
【0029】
かかる構成からなる燃料・水噴射システムを備えたデイーゼル機関の運転時において、注水タンク11内の水が注水ポンプ10によって加圧されて、前記注水ピストン装置5の水室53内の圧力が作動油室54側の圧力つまり作動油ポンプ6の作動油逆止弁7の開弁圧力よりも大きくなると、前記注水タンク11より注水ポンプ10によって圧送された水は注水管34を通り前記注水逆止弁9を押し開けて前記注水ピストン装置の水室53に導入される。
一方、作動油ポンプ6においては、作動油カム114がリフトせず、プランジャ103が下方にあるとき、作動油タンク15内の作動油が作動油供給ポンプ14により作動油入口管33を及び給油孔0111を経てプランジャ室103aに導入される。
そして、前記燃料噴射ポンプ1の燃料吐出休止期間中に、作動油ポンプ6の作動油カム114の回転によりタペット113及びプランジャ103が押し上げられると、プランジャ室103a内の作動油は該プランジャ103により加圧されて作動油吐出弁8を押し上げて作動油管35を通り注水ピストン装置5の作動油室54に入る。
【0030】
該作動油室54に入った高圧の作動油は注水ピストン52の作動油室側52bに作用し、該作動油の圧力と水室側52aに作用する水の圧力との圧力差により、
前記注水ピストン52は図1、4の左方つまり水室53の容積を縮小する方向に移動せしめられ、これにより該水室53内に導入されていた水は注水逆止弁16を押し開け、注水管32を通って燃料噴射弁3の水供給路021に送り込まれる。
このとき、燃料噴射ポンプ1の燃料逆止弁18の開弁圧力Pr、前記水供給路021の燃料弁内逆止弁4の開弁圧力Pp、燃料噴射弁3の針弁011の開弁圧力P0とすると、
P0>Pr、P0>Pp
と設定されているため、前記燃料噴射弁3の水供給路021に供給された水は、燃料弁内逆止弁4を経て水通路030及び燃料と水との合流部031を通り燃料通路022内に流入する。
【0031】
前記燃料通路022内の合流部031よりも燃料噴射ポンプ1側にある燃料は該燃料噴射ポンプ1の方向に高圧燃料管2を通して押し戻される。その結果、前記燃料噴射弁3内には油溜部012及び該油溜部012から合流部031までの容積分の燃料で満たされ、該合流部031の上流側の燃料通路022には所定量の水が満たされ、さらにその上流側には再び燃料が満たされた層状状態となっている。
次いで、図9の“燃料噴射”状態に示すように、前記燃料噴射ポンプ1の吐出が開始されて燃料噴射弁3内の燃料が圧縮され、圧力が上昇して該燃料噴射弁3の開弁圧力P0以上になると、針弁011が開かれ噴射が開始される。該噴射は、前記のように層状状態にある燃料及び水のうち、先ず燃料が噴射され、着火遅れ期間を経た後、燃焼を開始する。引き続き水が燃焼中の先行燃料噴霧火炎をめがけて噴射される。このとき噴射される水も噴霧となってその内部に燃焼室内の空気を取り込んでいるため、先行噴射された燃料に空気を供給する形となって燃焼が活発化される。
そして、最後に残りの燃料が、先行した水噴霧の中に噴射され燃焼する。かかる燃料と水の噴射に伴う熱的影響により火炎の温度上昇が抑えられ、NOxの発生が抑制される。
【0032】
前記作動時において、前記コントローラ106には、前記回転数検出器111からの機関回転数の検出信号及び前記ラック位置検出器110からの燃料調整ラック位置(燃料噴射量)の検出信号が入力される。そして、該コントローラ106は、これらの検出信号に基づき機関の運転状態に対応する作動油流量を算出し、前記アクチュエータ107に該作動油流量に相当する操作信号を出力する。
該アクチュエータ107の操作力によりピニオン108が回転して前記ラック109が往復動せしめられ、該ラック109に噛合しているプランジャ103の回転機構112を介してプランジャ103を回転することによりその有効行程が変化し、前記注水ピストン装置5への作動油流量が調整される。これにより、該作動油によって前記燃料噴射弁3に供給される水の量が調整される。
また、前記作動油ポンプ6に設けられた作動油カム114のプロフィールを所要の形状に設定することにより、該作動油ポンプ6による作動油の供給タイミングを調整し、これにより、前記注水ピストン装置5による燃料噴射弁3への水の供給タイミングを調整することができる。
【0033】
かかる実施例によれば、通常用いられているジャーク式燃料噴射ポンプと同様な構造の作動油ポンプ6により、作動油供給タイミング及び作動油流量を調整して、作動油を注水ピストン装置5に供給あるいはこれを遮断することにより、該注水ピストン装置5を作動させ、該注水ピストン装置5によって燃料噴射弁3への水の供給、遮断をなさしめるようにしたので、ジャーク式燃料噴射ポンプと同様な構造の作動油ポンプ6の作動油供給タイミング及び作動油流量を調整するのみという比較的簡単な制御手段で、注水量及び注水タイミングを高精度で制御できる。
また、前記のように、ジャーク式燃料噴射ポンプと同様な構造の作動油ポンプ6と、シリンダ51内にフリーピストン構造の注水ピストン52を嵌合した簡単な構造の注水ピストン装置5とを組み合わせて燃料噴射弁3への水の供給システムを構成したので、従来技術のような格別な電子制御装置が不要となり、きわめて簡単かつ低コストの装置で以って、燃料・水噴射システムを構成することができる。
【0034】
図2及び図6に示される第2実施例においては、前記作動油ポンプ6の吐出部において、前記第1実施例における作動油吐出弁8及び作動油逆止弁7を除去し、これに代えて絞り機構40を設けている。
かかる実施例によれば、作動油ポンプ6と注水ピストン装置5との間の作動油通路に絞り機構40を設けたので、該絞り機構40によって、前記注水ピストン装置5の注水ピストン52の振動等を伴う急激な移動を緩和することができ、これによって、注水ピストン装置5への作動油の供給が脈動等を伴うことなくなされることとなり、注水ピストン装置5による水の供給動作が安定化される。
また、第1実施例のような作動油吐出弁8及び作動油逆止弁7に比べて、簡単な構造の絞り機構40を設ければ済むので、構造が簡単化され低コストとなる。
その他の構成は前記第1実施例と同様であり、これと同一の部材は同一の符号で示す。
【0035】
図3及び図6に示される第3実施例において、36は前記注水ピストン装置5の作動油室54と前記作動油タンク15とを接続する作動油戻り管、300は該作動油戻り管36の管路を開閉する電磁弁であり、該作動油戻り管36及び電磁弁300を設けることにより、 前記作動油タンク15から作動油入口管33、作動油供給ポンプ14、作動油入口管33、作動油ポンプ6、作動油管35、注水ピストン装置5、電磁弁300、及び作動油戻り管36をこの順に経て前記作動油タンク15に至る作動油の循環路を形成している。
【0036】
301は電磁弁駆動装置で、前記第1、第2実施例と同様にクランク軸、カム軸等の回転軸303の回転数検出信号が回転数検出器111から入力されるとともに、機関の負荷あるいは出力等の機関負荷の検出信号が負荷検出器304から入力される。
そして該電磁弁駆動装置301においては、前記作動油ポンプ6から作動油が注水ピストン装置5の作動油室54に供給され、該注水ピストン装置5の注水ピストン52が図4の左動して水室53内の水を前記燃料噴射弁3に送出した後、前記電磁弁300を開き、作動油室54内の作動油を作動油戻り管36を介して作動油タンク15に戻す。
また、前記電磁弁駆動装置301においては、前記回転数検出信号及び機関負荷の検出信号に基づき機関の運転条件に適応した開閉タイミングでもって電磁弁300を開閉操作する。
かかる操作により、作動油室54内の作動油の残圧は完全に除去され、次のステップにおける水室53内への水の供給が抵抗なくスムーズになされる。
【0037】
かかる実施例によれば、前記作動油タンク15から、作動油供給ポンプ14、作動油ポンプ6、注水ピストン装置5、電磁弁300、及び作動油戻り管36をこの順に経て前記作動油タンク15に至る作動油の循環路を形成し、該循環路の作動油戻り通路を電磁弁300により機関運転条件に適応したタイミングで開閉するので、作動油が毎サイクル作動油タンク15に戻されて該作動油タンク15にて冷却されることとなり、作動油の温度上昇が抑制されるとともに、作動油室54内の作動油の残圧が完全に除去されて次のステップにおける水室53内への水の供給が抵抗なくスムーズになされる。これにより、作動油ポンプ6及び注水ピストン装置5による水の供給作用が安定化される。
【0038】
【発明の効果】
以上記載のごとく本発明によれば、作動油ポンプにより作動油供給タイミング及び作動油流量を調整して、作動油を注水ピストン装置に供給あるいはこれを遮断することにより、該注水ピストン装置によって燃料噴射弁への水の供給、遮断をなさしめるようにしたので、通常用いられているジャーク式燃料噴射ポンプと同様な構造の作動油ポンプの作動油供給タイミング及び作動油流量を調整するのみという比較的簡単な制御手段で、注水量及び注水タイミングを高精度で制御できる。
【0039】
また、前記のように、作動油供給タイミング及び作動油流量を調整可能な作動油ポンプと、シリンダ内にフリーピストン構造の注水ピストンを嵌合した簡単な構造の注水ピストン装置とを組み合わせて燃料噴射弁への水の供給システムを構成したので、従来技術のような電子制御による格別な制御操作機器が不要となり、きわめて簡単かつ低コストの装置で以って、燃料・水噴射システムを構成することができる。
【0040】
また、請求項3のように構成すれば、絞り機構によって、注水ピストン装置の注水ピストンの振動等を伴う急激な移動を緩和することができ、これによって、注水ピストン装置への作動油の供給が脈動等を伴うことなくなされることとなり、注水ピストン装置による水の供給動作が安定化される。
また、簡単な構造の絞り機構を設ければ済むので、構造が簡単化され低コストとなる。
【0041】
さらに、請求項4のように構成すれば、前記作動油タンクから、作動油ポンプ、注水ピストン装置、電磁弁、及び作動油戻り通路をこの順に経て前記作動油タンクに至る作動油の循環路を形成し、該循環路の作動油戻り通路を電磁弁により機関運転条件に適応したタイミングで開閉するので、作動油が毎サイクル作動油タンクに戻されて該作動油タンクにて冷却されることとなり、作動油の温度上昇が抑制されるとともに、注水ピストン装置における作動油の残圧が完全に除去されて次のステップにおける水の供給が抵抗なくスムーズになされる。これにより、作動油ポンプ及び注水ピストン装置による水の供給作用が安定化される。
【0042】
以上、要するに本発明によれば、作動油供給タイミング及び作動油流量を調整可能な作動油ポンプと、シリンダ内にフリーピストン構造の注水ピストンを嵌合した簡単な構造の注水ピストン装置とを組み合わせるという、比較的簡単な制御手段で以って高精度の注水量及び注水タイミング制御を行い得るとともに、注水量の制御操作機器の装置コストが低減された燃料・水噴射内燃機関を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の第1実施例に係るデイーゼル機関の燃料・水噴射システムの構成図である。
【図2】 第2実施例に係るデイーゼル機関の燃料・水噴射システムの構成図である。
【図3】 第3実施例に係るデイーゼル機関の燃料・水噴射システムの構成図である。
【図4】 注水ピストン装置の断面図である。
【図5】 前記第1実施例における燃料噴射ポンプ及び作動油ポンプの構造を示す断面図である。
【図6】 前記第2実施例における燃料噴射ポンプ及び作動油ポンプの構造を示す断面図である。
【図7】 前記第3実施例における燃料噴射ポンプ及び作動油ポンプの構造を示す断面図である。
【図8】 前記第1ないし第3実施例における燃料噴射弁の断面図である。
【図9】 前記第1ないし第3実施例の作用説明図である。
【図10】 従来技術を示す要部構成図である。
【符号の説明】
1 燃料噴射ポンプ
2 高圧燃料管
3 燃料噴射弁
4 燃料弁内逆止弁
5 注水ピストン装置
6 作動油ポンプ
7 作動油逆止弁
8 作動油吐出弁
9 注水逆止弁
10 注水ポンプ
010 噴孔
11 注水タンク
011 針弁
12 燃料供給ポンプ
012 油溜部
13 燃料タンク
14 作動油供給ポンプ
15 作動油タンク
16 注水逆止弁
17 燃料吐出弁
18 燃料逆止弁
24 プランジャバレル
25 プランジャ
32 注水管
031 合流部
34 注水管
35 作動油管
36 作動油戻り管
40 絞り機構
51 シリンダ
52 注水ピストン
53 水室
54 作動油室
102 プランジャバレル
103 プランジャ
103a プランジャ室
106 コントローラ
107 アクチュエータ
109 ラック
110 ラック位置検出器
111 回転数検出器
114 作動油カム
300 電磁弁
301 電磁弁駆動装置
304 負荷検出器[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel / water injection system configured to inject a high-pressure fuel supplied from a fuel injection pump through a fuel passage and water supplied from a water supply pump into a combustion chamber from one fuel injection valve. The present invention relates to an internal combustion engine.
[0002]
[Prior art]
In the diesel engine, as an effective technique for reducing nitrogen oxide (NOx), a fuel / water injection diesel engine that injects fuel and water from a fuel injection valve into a combustion chamber has been proposed.
As one of such techniques, there is an invention of Japanese Patent No. 2772114 relating to the application of the present applicant. FIG. 10 shows the configuration of the invention, in which 001 is a fuel injection pump, 3 is a fuel injection valve, 01 is a fuel tank, 02 is a fuel oil pump, 019 is a water tank, 018 is a water supply pump, and 016 is a fuel. A
[0003]
In such a fuel / water injection diesel engine, water pumped from the
At this time, the valve opening pressure Pr of the
P 0 > Pr, P 0 > Pp
Therefore, the water supplied to the
[0004]
The fuel that is closer to the fuel injection pump 001 than the
[0005]
Next, the discharge of the fuel injection pump 001 is started, the fuel in the
Subsequently, water is injected over the burning fuel spray flame. Since the water injected at this time is also sprayed and the air in the combustion chamber is taken into the inside thereof, the combustion is activated by supplying air to the previously injected fuel.
Finally, the remaining fuel is injected into the preceding water spray and burned. The thermal effect accompanying the injection of fuel and water suppresses the rise in flame temperature and suppresses the generation of NOx.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
In the invention of Japanese Patent No. 2772114 shown in FIG. 10, the
However, in this prior art, the water injection amount to the
Further, in this conventional technique, as described above, since the
[0007]
In view of the problems of the prior art, the present invention is capable of performing highly accurate water injection control with a relatively simple control method, and is a fuel / water-injection internal combustion engine in which the device cost of the operation device for controlling the water injection amount is reduced. The purpose is to provide an institution.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve this problem, the present invention provides a fuel / water-injection internal combustion engine that injects fuel and water into a combustion chamber according to the first aspect of the present invention, wherein the fuel passage communicates with a fuel injection pump and a check valve. And a fuel injection valve having a water supply passage that merges with the fuel passage, and a predetermined amount of water from the joining portion through the water supply passage into the fuel passage while the fuel injection pump is stopped. The fuel / water is provided with water supply means for supplying to the fuel, and the sum of the volume of the oil reservoir of the fuel injection valve and the volume from the junction to the oil reservoir is not less than 5% and not more than 75% of the total fuel injection amount In an injection internal combustion engine,
The water is pumped to the fuel injection valve by the pressure difference between the pressure in the water chamber in which water passing through the water passage from the water supply pump is accommodated and the pressure in the hydraulic oil chamber formed across the water injection piston with respect to the water chamber. Providing a water injection piston device in the water passage, and providing a hydraulic oil pump that pressurizes the hydraulic oil introduced from the hydraulic oil inlet passage and feeds it to the hydraulic oil chamber of the water injection piston device through the hydraulic oil passage;
The water injection piston device has a piston , It is composed of a free piston that is slidably fitted in a water chamber composed of a cylinder and is moved by the pressure difference, and allows only a flow toward the fuel injection valve in the water passage at the water chamber outlet. A water check valve is provided, and the water passage at the water chamber inlet is provided with a water check valve that allows only a flow toward the water chamber,
Further, the hydraulic oil pump sends hydraulic oil in the plunger chamber to the water injection piston device by reciprocating movement of a plunger that is slidably reciprocated in the plunger barrel, and changes the effective stroke of the plunger. The hydraulic oil delivery flow rate is adjustable, and the hydraulic oil cam profile provided in the hydraulic oil pump is set to a required shape to adjust the hydraulic oil supply timing by the hydraulic oil pump. And
The profile shape of the hydraulic oil cam is set so that the high-pressure hydraulic oil that has entered the hydraulic oil chamber by the rotation of the hydraulic oil cam of the hydraulic oil pump during the fuel discharge suspension period of the fuel injection pump is the hydraulic oil chamber side of the water injection piston. The profile shape is set so that the water introduced into the water chamber of the water injection piston is fed into the fuel injection valve. A fuel / water-injection internal combustion engine is proposed.
[0011]
A hydraulic oil discharge valve that opens by the pressure in the plunger chamber and sends hydraulic oil in the plunger chamber to the water injection piston device; and a return passage that bypasses the hydraulic oil discharge valve between the plunger chamber and the hydraulic oil passage And a hydraulic oil check valve that allows only a flow from the hydraulic oil passage toward the plunger.
[0012]
[0013]
[0014]
According to this invention, the hydraulic oil supply timing and the hydraulic oil flow rate are adjusted by the hydraulic oil pump capable of adjusting the hydraulic oil supply timing and the hydraulic oil flow rate, such as a commonly used jerk type fuel injection pump. The oil injection piston device is operated by supplying or shutting off the oil to the water injection piston device, and the water injection piston device supplies and shuts off the water to the fuel injection valve. The amount of water injection and the timing of water injection can be controlled with high accuracy by a relatively simple control means that only adjusts the hydraulic oil supply timing and hydraulic oil flow rate of the hydraulic oil pump having the same structure as the pump.
[0015]
In addition, as described above, water injection with a simple structure in which a hydraulic oil pump capable of adjusting the hydraulic oil supply timing and hydraulic oil flow rate, similar to the jerk type fuel injection pump, and a free piston structure water injection piston is fitted in the cylinder. Since the water supply system to the fuel injection valve is configured in combination with the piston device, the electronically controlled control valve as in the prior art, the control device for controlling the timing of the control valve, and operating force applied to the control valve Therefore, special control operation equipment such as a working hydraulic pressure generator and an electric drive device are not required, and the fuel / water injection system can be configured with an extremely simple and low-cost device.
[0016]
And claims 3 According to the invention, the throttling mechanism can alleviate a rapid movement accompanied by vibration of the water injection piston of the water injection piston device, so that the supply of hydraulic oil to the water injection piston device is not accompanied by pulsation or the like. As a result, the water supply operation by the water injection piston device is stabilized.
Further, since it is only necessary to provide a diaphragm mechanism having a simple structure, the structure is simplified and the cost is reduced.
[0017]
Further claims 4 According to the invention, the circulation of the working oil from the working oil tank to the working oil tank through the working oil inlet passage, the working oil pump, the working oil passage, the water injection piston device, the solenoid valve, and the working oil return passage in this order. Since the hydraulic fluid return passage of the circulation passage is opened and closed at a timing adapted to the engine operating conditions by a solenoid valve, the hydraulic oil is returned to the hydraulic oil tank every cycle and cooled in the hydraulic oil tank As a result, the temperature rise of the hydraulic oil is suppressed, and the residual pressure of the hydraulic oil in the water injection piston device is completely removed, so that water is smoothly supplied in the next step without resistance. Thereby, the water supply action by the hydraulic oil pump and the water injection piston device is stabilized.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the embodiments shown in the drawings. However, the dimensions, materials, shapes, relative arrangements, and the like of the components described in this embodiment are merely illustrative examples and not intended to limit the scope of the present invention unless otherwise specified. Absent.
[0019]
FIG. 1 is a configuration diagram of a fuel / water injection system for a diesel engine according to a first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a configuration diagram of a fuel / water injection system for a diesel engine according to a second embodiment.
FIG. 3 is a block diagram of a fuel / water injection system for a diesel engine according to a third embodiment, FIG. 4 is a cross-sectional view of a water injection piston device, and FIG. 5 shows the structures of a fuel injection pump and a hydraulic oil pump in the first embodiment. FIG. 6 is a sectional view showing the structure of the fuel injection pump and hydraulic oil pump in the second embodiment, and FIG. 7 is a sectional view showing the structure of the fuel injection pump and hydraulic oil pump in the third embodiment. is there. FIG. 8 is a sectional view of the fuel injection valve in the first to third embodiments. FIG. 9 is a diagram for explaining the operation of the first to third embodiments.
[0020]
In the first embodiment shown in FIG. 1,
[0021]
[0022]
In FIG. 5 showing the details of the fuel injection pump and the hydraulic oil pump,
A
The
A
[0023]
6 is a hydraulic oil pump and is comprised as follows.
101 is a pump case, 102 is a plunger barrel fixed to the inside of the
A hydraulic oil discharge valve 8 is provided on the outlet side of the
It is provided in a return passage connecting the discharge valve chamber in which the
[0024]
Further, 15 is a hydraulic oil tank, 33 is a hydraulic oil inlet pipe, and 14 is a hydraulic oil pump (both see FIG. 1).
[0025]
In FIG. 8 showing the details of the
[0026]
The basic structure of the
[0027]
In FIG. 4 showing the details of the water injection piston device, 51 is a cylinder, 52 is a water injection piston fitted in the cylinder 51 so as to be slidable in a reciprocating manner, and 56 is a seal fitted into the outer periphery of the water injection piston 52. It is a ring. The cylinder 51 is partitioned into a
[0028]
The hydraulic oil from the
[0029]
During operation of the diesel engine having the fuel / water injection system having such a configuration, water in the
On the other hand, in the
When the
[0030]
The high-pressure hydraulic oil that has entered the
The water injection piston 52 is moved to the left in FIGS. 1 and 4, that is, in the direction of reducing the volume of the
At this time, the valve opening pressure Pr of the
P 0 > Pr, P 0 > Pp
Therefore, the water supplied to the
[0031]
The fuel that is closer to the
Next, as shown in the “fuel injection” state of FIG. 9, the discharge of the
Finally, the remaining fuel is injected into the preceding water spray and burned. The thermal effect accompanying the injection of fuel and water suppresses the rise in flame temperature and suppresses the generation of NOx.
[0032]
During the operation, the
The
Further, by setting the profile of the
[0033]
According to this embodiment, the hydraulic oil is supplied to the water
Further, as described above, the
[0034]
In the second embodiment shown in FIGS. 2 and 6, the hydraulic oil discharge valve 8 and the hydraulic oil check valve 7 in the first embodiment are removed from the discharge portion of the
According to this embodiment, since the
Further, as compared with the hydraulic oil discharge valve 8 and the hydraulic oil check valve 7 as in the first embodiment, it is only necessary to provide the
Other configurations are the same as those of the first embodiment, and the same members are denoted by the same reference numerals.
[0035]
In the third embodiment shown in FIGS. 3 and 6,
[0036]
In the electromagnetic
Further, in the electromagnetic
By this operation, the residual pressure of the hydraulic oil in the
[0037]
According to this embodiment, from the
[0038]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the hydraulic oil pump adjusts the hydraulic oil supply timing and the hydraulic oil flow rate, and supplies or shuts off the hydraulic oil to the water injection piston device. Since the supply and shutoff of water to the valve are performed, the hydraulic oil supply timing and hydraulic oil flow rate of the hydraulic oil pump having the same structure as that of a commonly used jerk type fuel injection pump are only adjusted. With simple control means, the water injection amount and water injection timing can be controlled with high accuracy.
[0039]
Further, as described above, the fuel injection is performed by combining the hydraulic oil pump capable of adjusting the hydraulic oil supply timing and hydraulic oil flow rate with the simple structure of the water injection piston device in which the water injection piston of the free piston structure is fitted in the cylinder. Since the water supply system to the valve is configured, there is no need for special control operation equipment by electronic control as in the prior art, and the fuel / water injection system is configured with a very simple and low-cost device. Can do.
[0040]
Further, since it is only necessary to provide a diaphragm mechanism having a simple structure, the structure is simplified and the cost is reduced.
[0041]
And claims 4 With this configuration, a hydraulic oil circulation path is formed from the hydraulic oil tank to the hydraulic oil tank through the hydraulic oil pump, the water injection piston device, the electromagnetic valve, and the hydraulic oil return passage in this order. Since the hydraulic fluid return passage of the road is opened and closed at a timing adapted to the engine operating conditions by a solenoid valve, the hydraulic oil is returned to the hydraulic oil tank every cycle and cooled by the hydraulic oil tank. The rise is suppressed, and the residual pressure of the hydraulic oil in the water injection piston device is completely removed, so that water is smoothly supplied in the next step without resistance. Thereby, the water supply action by the hydraulic oil pump and the water injection piston device is stabilized.
[0042]
As described above, according to the present invention, the hydraulic oil pump capable of adjusting the hydraulic oil supply timing and the hydraulic oil flow rate is combined with the water injection piston device having a simple structure in which the water injection piston of the free piston structure is fitted in the cylinder. In addition, it is possible to provide a fuel / water-injection internal combustion engine in which the water injection amount and the water injection timing control can be performed with a relatively simple control means, and the device cost of the water injection amount control operation device is reduced. .
[Brief description of the drawings]
1 is a configuration diagram of a fuel / water injection system for a diesel engine according to a first embodiment of the present invention;
FIG. 2 is a configuration diagram of a fuel / water injection system of a diesel engine according to a second embodiment.
FIG. 3 is a configuration diagram of a fuel / water injection system for a diesel engine according to a third embodiment;
FIG. 4 is a cross-sectional view of a water injection piston device.
FIG. 5 is a cross-sectional view showing structures of a fuel injection pump and a hydraulic oil pump in the first embodiment.
FIG. 6 is a cross-sectional view showing structures of a fuel injection pump and a hydraulic oil pump in the second embodiment.
FIG. 7 is a sectional view showing structures of a fuel injection pump and a hydraulic oil pump in the third embodiment.
FIG. 8 is a cross-sectional view of the fuel injection valve in the first to third embodiments.
FIG. 9 is an operation explanatory view of the first to third embodiments.
FIG. 10 is a main part configuration diagram showing a conventional technique.
[Explanation of symbols]
1 Fuel injection pump
2 High-pressure fuel pipe
3 Fuel injection valve
4 Check valve in fuel valve
5 Water injection piston device
6 Hydraulic oil pump
7 Hydraulic oil check valve
8 Hydraulic oil discharge valve
9 Water check valve
10 Water injection pump
010 injection hole
11 Water injection tank
011 Needle valve
12 Fuel supply pump
012 Oil reservoir
13 Fuel tank
14 Hydraulic oil supply pump
15 Hydraulic oil tank
16 Water check valve
17 Fuel discharge valve
18 Fuel check valve
24 Plunger barrel
25 Plunger
32 Water injection pipe
031 Junction
34 Water injection pipe
35 Hydraulic oil pipe
36 Hydraulic oil return pipe
40 Aperture mechanism
51 cylinders
52 Water injection piston
53 Water Chamber
54 Hydraulic oil chamber
102 Plunger barrel
103 Plunger
103a Plunger chamber
106 controller
107 Actuator
109 racks
110 Rack position detector
111 RPM detector
114 Hydraulic oil cam
300 Solenoid valve
301 Solenoid valve driving device
304 Load detector
Claims (4)
水供給ポンプから水通路を経た水が収容される水室内の圧力と該水室に対し注水ピストンを隔てて形成された作動油室内の圧力との圧力差により前記水を前記燃料噴射弁に圧送する、注水ピストン装置を前記水通路に設けるとともに、作動油入口通路から導入された作動油を加圧して前記注水ピストン装置の作動油室に作動油通路を経て送給する作動油ポンプを設け、
該注水ピストン装置は、ピストンが、シリンダからなる水室内を往復摺動自在に嵌合され、前記圧力差により移動せしめられる自由ピストンにて構成され、前記水室出口の前記水通路には前記燃料噴射弁に向かう流れのみを可能とする注水逆止弁が設けられるとともに、前記水室入口の前記水通路には該水室に向かう流れのみを可能とする注水逆止弁が設けられ、
更に前記作動油ポンプは、プランジャバレル内に往復摺動自在に嵌合されたプランジャの往復動によりプランジャ室内の作動油を前記注水ピストン装置に送出すると共に、該プランジャの有効行程を変化させることにより作動油送出流量を調整可能に構成し、且つ前記作動油ポンプに設けられた作動油カムのプロフィールを所要の形状に設定することにより、該作動油ポンプによる作動油の供給タイミングを調整可能に構成し、
前記作動油カムのプロフィール形状を、前記燃料噴射ポンプの燃料吐出休止期間中に、作動油ポンプの作動油カムの回転により作動油室に入った高圧の作動油を前記注水ピストンの作動油室側に作用させて前記注水ピストンの水室内に導入されていた水を燃料噴射弁に送り込ませるプロフィール形状に設定したことを特徴とする燃料・水噴射内燃機関。A fuel / water-injection internal combustion engine for injecting fuel and water into a combustion chamber, having a fuel passage communicating with a fuel injection pump and a check valve, and having a water supply passage joined to the fuel passage And an oil reservoir for supplying a predetermined amount of water from the junction to the fuel passage through the water supply passage while the fuel injection pump is stopped, and an oil reservoir for the fuel injection valve In a fuel / water-injection internal combustion engine in which the total volume from the merging portion to the oil reservoir is 5% to 75% of the total fuel injection amount,
The water is pumped to the fuel injection valve by the pressure difference between the pressure in the water chamber in which water passing through the water passage from the water supply pump is accommodated and the pressure in the hydraulic oil chamber formed across the water injection piston with respect to the water chamber. Providing a water injection piston device in the water passage, and providing a hydraulic oil pump that pressurizes the hydraulic oil introduced from the hydraulic oil inlet passage and feeds it to the hydraulic oil chamber of the water injection piston device through the hydraulic oil passage;
The water injection piston device is constituted by a free piston that is slidably fitted in a water chamber composed of a cylinder and is moved by the pressure difference, and the fuel passage is provided in the water passage at the outlet of the water chamber. A water injection check valve that allows only a flow toward the injection valve is provided, and a water injection check valve that enables only a flow toward the water chamber is provided in the water passage at the water chamber inlet,
Further, the hydraulic oil pump sends hydraulic oil in the plunger chamber to the water injection piston device by reciprocating movement of a plunger that is slidably reciprocated in the plunger barrel, and changes the effective stroke of the plunger. The hydraulic oil delivery flow rate is adjustable, and the hydraulic oil cam profile provided in the hydraulic oil pump is set to a required shape to adjust the hydraulic oil supply timing by the hydraulic oil pump. And
The profile shape of the hydraulic oil cam is set so that the high-pressure hydraulic oil that has entered the hydraulic oil chamber by the rotation of the hydraulic oil cam of the hydraulic oil pump during the fuel discharge suspension period of the fuel injection pump is the hydraulic oil chamber side of the water injection piston. A fuel / water-injection internal combustion engine characterized in that the profile shape is set so that the water introduced into the water chamber of the water injection piston is fed into the fuel injection valve .
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