JP2007198379A - 燃料インジェクタ - Google Patents

Abstract

【課題】内燃エンジン（８８）用の燃料インジェクタ（１０）を提供する。
【解決手段】本燃料インジェクタは、中心本体（１２）と該中心本体との間に環状の混合セクション（１６）を形成するように中心本体の半径方向外側に配置されたケーシング（１４）とを含む。本燃料インジェクタは、燃焼用空気の第１の部分（２２）を混合セクション内に噴射する空気入口（例えば、１８）を含む。燃料入口（３２）が、燃料（３４）を混合セクション内に噴射するように中心本体内に配置される。中心本体内に配置された燃料導管（４８）が燃料を燃料入口に導き、燃料導管内に配置されたバルブ（５０）が混合セクション内への燃料噴射を選択的に制御する。バルブは、正確なタイミング噴射を行うのに十分なほど燃料入口に近接させて配置することができる。本インジェクタは、燃料／空気混合気（６０）を吐出するようになった混合セクションの出口（１９）を含む。
【選択図】 図１

Description

本発明の実施形態は、総括的には燃料インジェクタに関し、より具体的には、内燃機関（内燃エンジン）内に噴射するために燃料の噴射量を酸化剤と予混合するための渦発生装置を有する燃料インジェクタに関する。

オットー式ガスエンジンでは、燃料及び燃焼用空気は、ベンチュリミキサ又は他の混合及び噴射装置を使用してエンジンのシリンダの上流で予混合される。燃料／空気混合気の均一性を最大にしかつ低圧燃料供給を可能にするために、燃料は、圧縮機の上流に噴射されることが多い。そのような混合及び噴射概念では、燃焼室の外部で比較的大量の可燃性混合気が生成され、燃料噴射タイミングの制御によりフラッシュバック（逆火）を回避するのは可能でない。シリンダの上流での噴射量の制御及び可燃性混合気量の少量化の両方が、大きなフラッシュバックの危険性を有する水素のような燃料の場合には特に重要である。ポート噴射法は、フラッシュバックを回避するための適切な燃料噴射タイミングを得るために使用されるが、混合特性の低下という犠牲を払っている。混合特性の低下により、エンジンのエミッションの増加、出力の低下及び作動範囲の制限を招くおそれがある。

従って、内燃エンジンにおける燃料の混合及び噴射を改善して高い出力密度、効率的な運転及び少ないエミッションを達成することが望ましい。

本発明の実施形態は、中心本体の周りに配置された混合セクション内への軸方向及び半径方向の空気噴射を有する燃料インジェクタを含む。中心本体は、燃料を混合セクション内に噴射するための燃料噴射バルブを含むことができ、燃料噴射バルブは、例えばフラッシュバックの危険性を最小にするための定時（タイミング）燃料噴射及び調量を可能にする利点がある。混合セクションは、半径方向に噴射した空気によって渦を発生させて混合セクション内での空気及び燃料の混合を高めるようになった渦発生装置、例えば中心本体に沿って軸方向に形成された複数の環状に間隔を置いて配置したベーンを含むことができる。本燃料インジェクタの実施形態により、従来型の燃料インジェクタに勝る混合気均一性の向上が得られると同時に、耐フラッシュバック性の向上、燃料噴射サイクル間変動の減少、出力密度の増大及びエミッションの一層の低下が得られる。

図１は、改良型の燃料インジェクタ１０の実例実施形態の概略断面図を示し、図５は、線５−５に沿って見た図１の燃料インジェクタ１０の実例実施形態の部分斜視図を示す。燃料インジェクタ１０は、中心本体１２と該中心本体１２の半径方向外側に配置されたケーシング１４とを含むことができる。中心本体１２及びケーシング１４は、それらの間に環状の混合セクション１６を形成する。インジェクタ１０はさらに、燃焼用空気２４のような酸化剤の第１の部分２２を混合セクション１６内に軸方向に噴射するように該混合セクション１６の上流端部２０に配置された軸方向空気入口１８を含むことができる。燃料インジェクタ１０はさらに、燃焼用空気２４の第２の部分２８を混合セクション１６内に半径方向に噴射するようにケーシング１４内に配置された半径方向空気入口２６を含むことができる。本発明の実施形態では、半径方向空気入口２６は、複数の環状に間隔を置いて配置したスロット３０を含むことができる。第２のケーシング３６が、ケーシング１４の半径方向外側に配置されてプレナム３８を形成し、プレナム３８は、該プレナム３８の入口４０において燃焼用空気２４の第２の部分２８を受けかつこの燃焼用空気２４の第２の部分２８を半径方向空気入口２６に導くことができる。本発明の態様では、軸方向空気入口１６と半径方向空気入口２６との面積比は、所望の流れ構成が得られるように構成される。例えば、混合セクション１６の高さＨなどの混合セクションの幾何学形状は、スロット長さＬ及び／又はスロット幅Ｗなどの半径方向入口２６のスロット３０の幾何学形状に対して調整して所望の流れ構成及び混合作用を達成することができる。本発明のさらに別の実施形態では、インジェクタ１０に供給された燃焼用空気２４又はその一部分は、軸方向及び／又は半径方向空気入口１８、２６において予混合燃料／空気混合気を供給するように燃料インジェクタ１０の上流で燃料と予混合することができる。

燃料インジェクタ１０はまた、天然ガス、水素、バイオガス又は合成ガスなどの燃料を混合セクション１６内に噴射するように軸方向空気入口１８の下流側で中心本体１２内に配置された燃料入口３２を含むことができる。図２で見ることができるように、燃料入口３２は、半径方向空気入口２６に対して角度的に偏位させることができる。実施形態では、燃料入口３２は、中心本体１２の外面内に配置された複数の環状に間隔を置いて配置した開口４２を含むことができる。開口４２は、半径方向空気入口２６のスロット３０に対して角度的に偏位させることができる。

図１に示すように、燃料４６は、該燃料４６を燃料入口３２に導くように中心本体１２内部に配置された燃料導管４８によって該燃料入口３２に選択的に供給することができる。バルブ５０は、混合セクション１６内への燃料噴射を選択的に制御するように中心本体１２内部の燃料導管４８内に配置することができる。例えば、バルブ５０は、環状に間隔を置いて配置した開口４２を介して供給される燃料の量を制御することができる。バルブ５０は、所望のタイミングで可変燃料流量を供給するように可変かつ制御可能である電磁バルブ、圧電バルブ又は他の型式のバルブを含むことができる。本発明の態様では、バルブ５０は、燃料入口４２とそのバルブシートなどの該バルブ５０との間の燃料ボリュームを減少させて所望の燃料調量を得るのに十分なほど燃料入口３２に近接させて燃料導管４８内に配置される。別の実施形態では、バルブ５０は、中心本体１２の外部に配置することができる。

燃料入口３２は、例えば上流を指向するように傾斜させて燃料入口３２を構成することなどによって、上流に向いた軸方向速度成分を有する状態で燃料４６を噴射するように構成することができる。別の実施形態では、燃料入口３２は、第１の部分２２の軸方向流れ方向に対して約９０°で燃料４６を噴射するように構成することができる。燃料インジェクタ１０はさらに、入口ポート内へのフラッシュバック事象を検知するように該燃料インジェクタ１０の出口１９の近傍に配置されたフラッシュバック検出器５４を含むことができる。フラッシュバック検出器５４は、例えばフラッシュバック状態を検知した時にバルブ５０の作動を直接的又は間接的に制御して、１つ又はそれ以上の作動サイクルにわたってバルブを遮断することなどによって燃料供給を直ちに遮断するか又は所望のフラッシュバック制御を達成するようにバルブ５０を作動させることができる。

さらに別の態様では、バルブ５０は、例えば噴射時において燃料空気混合気の所望の一定等量比（ＥＱＲ）が得られるように混合セクション１６内への燃料４６の非定常の調量を行うように可変に制御することができる。図６は、所望の一定等量比８６を達成する、時間変化空気質量流量８４と比較した所望の時間依存性燃料質量流量８２を表した質量流量対時間の実例グラフを示す。燃料噴射期間の間に、バルブ５０は、インジェクタ１０の近傍の燃焼用空気又はその一部分の時間変化空気質量流量の検知した値又は所定の予測値に応答して該バルブ５０の開口位置を変化させるように作動して、混合セクション１６内に供給される時間変化燃料量を得ることができる。従って、燃料／空気混合気６０のＥＱＲは、変化する空気質量流量に合わせて維持されて燃焼性能の向上を得ることができる。

図１、図２、図３及び図５に示す実施形態では、渦発生装置５６は、燃焼用空気２４の第２の部分２８によって縦方向渦５８のような渦を発生させるように混合セクション１６内に配置することができる。渦発生装置５６は、噴射した燃焼用空気２４の第１の部分２２及び第２の部分２８との噴射した燃料４６の混合を促進して燃料インジェクタ１０の出口１９において均一な燃料／空気混合気６０を生成する利点がある。渦５８により、フラッシュバックの危険性を抑制するのに役立つ比較的少量の可燃性混合気ボリュームを生成するような比較的短い混合長さの範囲内での混合特性の向上が得られる。

実施形態では、渦発生装置５６は、中心本体１２の外面４４内に形成された複数の環状に間隔を置いて配置した軸方向に延びるベーン６２を含むことができる。ベーン６２は、中心本体１２の少なくとも上流部分に沿って延びることができかつ中心本体１２から少なくとも部分的に混合セクション１６内に半径方向外向きに配向することができる。本発明の態様では、ベーン６２は、湾曲した外側面６６を含むことができる。ベーン６２はまた、半径方向入口２６のそれぞれのスロット３０と整列した第１の複数の尖端部分６４を含み、半径方向内向きに噴射された燃焼用空気２４の第２の部分２８が尖端部分６４によって分割されて該第２の部分２８によってベーン６２のそれぞれの湾曲した外側面６６に沿ってそれぞれの対向反転渦５８を発生させるようにすることができる。

渦発生装置５６はまた、例えば第１の複数の尖端部分６４間に環状に配置された第２の複数の尖端部分７０を含み、第２の複数の尖端部分７０は半径方向入口２６のそれぞれのスロット３０から角度的に偏位するようにすることができる。尖端部分７０は、中心本体１２の少なくとも上流部分に沿って軸方向に延びることができかつ中心本体１２から少なくとも部分的に混合セクション１６内に半径方向外向きに配向することができる。本発明の態様では、尖端部分７０は、平坦な頂部７２を有することができる。別の態様では、燃料入口３２は、尖端部分７０の頂部７２内に配置することができる。湾曲したトラフ７４は、尖端部分６４、７０とベーン６２との間で中心本体１２の外面４４内に渦発生装置５６の一部として形成することができる。

図３に示す別の実施形態では、渦発生装置５６は、半径方向入口２６のそれぞれのスロット３０から角度的に偏位した尖端部分７０を含む軸方向に延びるベーン６２を含むことができる。ベーン６２は、尖端部分７０間で中心本体１２の表面４４内に形成された軸方向に延びるトラフ７６を形成することができる。トラフ７６の中央部７８は、半径方向空気入口２６と角度的に整列して、半径方向入口２６において噴射された空気２４の第２の部分２８よって対向反転渦５８を発生させかつそれぞれのトラフ７６間の尖端部分７０内に配置された間隔を置いて配置した燃料入口３２に向かって第２の部分を配向し直す作用を行うことができる。

図４Ａに示すさらに別の実施形態では、中心本体１２は、比較的滑らかな表面部分８０を含むことができかつ半径方向空気噴射がない状態で軸方向に噴射された燃焼用空気２４（円付き十字記号によってページ紙面の中に向かって流れることを示す）を受けるように構成することができる。対向反転渦６８は、軸方向に噴射した燃焼用空気２４と環状に間隔を置いて配置した燃料入口３２から混合セクション１６内に半径方向に噴射された燃料との相互作用によって発生させることができる。燃料入口３２は、上流を指向するような角度で配向することができる。この構成は、依然として混合を促進しながら圧力損失を最小限にするようにする利点がある。

図４Ｂに示す別の実施形態では、中心本体１２は、比較的滑らかな表面部分８０含むことができかつ燃焼用空気２４の軸方向に噴射された第１の部分２２と半径方向に噴射された第２の部分２８とを受けるように構成することができる。環状に間隔を置いて配置した燃料入口３２は、半径方向空気入口２６から角度的に偏位させることができる。混合セクション５６内に半径方向に噴射された第２の部分２８は、中心本体１２に沿って軸方向に延びる縦方向対向反転渦５８を発生させて半径方向に噴射された燃料との空気２４の混合を促進する。

上記した渦発生装置５６の実施形態は、単なる実施例であり、例えばケーシング１４の内面１５及び／又は中心本体１２の外面８０に配置されたあらゆる所望の渦発生構造の幾何学形状及び／又は構成を使用して、所望の混合特性レベルを達成することができる。この渦発生装置５６は、比較的短い混合長さにわたって混合気の強力な混合及び均一化を促進する利点がある。渦支援の混合の結果として、噴射燃料の運動量は、比較的低くすることができ、均一性に対して大きな影響を与えずに変化させることができる。さらに、バルブ５０が中心本体１２内部の燃料導管４８内に取り付けられるので、バルブ５０と燃料入口３２との間の比較的少量のボリュームが、正確な調量を保証するのに役立ち、かつフラッシュバックが検出された時における迅速な燃料流れの遮断を可能にする。

本発明の態様では、本燃料インジェクタ１０は、内燃エンジンの既存の入口ポートに改造取り付け可能とすることができ、また天然ガス、合成ガス、バイオガス又は水素のような様々な燃料用として、特に安全燃焼及び混合気均一性が重要であるような用途において使用することができる。例えば、図７に示すように、本燃料インジェクタ１０は、燃焼用空気２４又は予混合燃料／空気混合気を受ける内燃エンジン８８のマニホルド９０と軸方向入口１８及び半径方向入口２６を連通状態にすることができるように、内燃エンジン８８に取り付けることができる。本燃料インジェクタ１０の出口１９は、均一な燃料／空気混合気を形成するようにエンジンの１つ又はそれ以上のシリンダ９２と連通状態にして、エンジン運転の向上が得られるようにすることができる。

本明細書では本発明の特定の実施形態について示しかつ説明してきたが、そのような実施形態は、単に実施例としてのみ提示するものである。当業者は、本明細書における本発明から逸脱することなく、数多くの変形、変更及び置換を想起するであろう。従って、本発明は、特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲によってのみ限定されることを意図している。

改良型の燃料インジェクタの実例実施形態の概略断面図。 線２−２に沿って取った、図１の燃料インジェクタを実例実施形態の部分断面図。 線２−２に沿って取った、図１の燃料インジェクタを別の実例実施形態の部分断面図。 線２−２に沿って取った、図１の燃料インジェクタを別の実例実施形態の部分断面図。 線２−２に沿って取った、図１の燃料インジェクタを別の実例実施形態の部分断面図。 線５−５沿って見た、図１の燃料インジェクタの実例実施形態の部分斜視図。 所望の一定等量比を達成する燃料及び空気についての質量流量対時間の実例グラフ。 改良型の燃料インジェクタの実例実施形態を含む内燃エンジン用の噴射システムの概略図。

符号の説明

１０ 燃料インジェクタ
１２ 中心本体
１４ ケーシング
１６ 混合セクション
１９ 出口
１８ 軸方向空気入口
２０ 上流端部
２２ 第１の部分
２４ 燃焼用空気
２６ 半径方向空気入口
２８ 第２の部分
３０ スロット
３２ 燃料入口
３６ 第２のケーシング
３８ プレナム
４０ 入口
４２ 開口
４４ 外面
４６ 燃料
４８ 燃料導管
５０ バルブ
５４ バックファイヤ（逆火）検出器
５６ 渦発生装置
５８ 渦
６０ 均一燃料／空気混合気
６２ ベーン
６４ 尖端部分
６６ 傾斜面
６８ 渦
７０ 尖端部分
７２ 頂部
７４ 湾曲したトラフ
７６ 軸方向に延びるトラフ
７８ トラフの中心部
８０ 領域
８２ 時間依存性燃料質量流量
８４ 時間変化空気質量流量
８６ 所望の一定等量比

Claims (10)

1. 内燃エンジン用の燃料インジェクタ（１０）であって、
   中心本体（１２）と、
   前記中心本体（１２）との間に環状の混合セクション（１６）を形成するように該中心本体（１２）の半径方向外側に配置されたケーシング（１４）と、
   燃焼用空気（２４）の第１の部分（２２）を前記混合セクション（１６）内に軸方向に噴射するように該混合セクション（１６）の上流端部（２０）に配置された軸方向空気入口（１８）と、
   燃焼用空気（２４）の第２の部分（２８）を前記混合セクション（１６）内に半径方向に噴射するように前記圧力境界面（１４）内に配置された半径方向空気入口（２６）と、
   燃料を前記混合セクション（１６）内に噴射するように前記軸方向空気入口（１８）の下流側で前記中心本体（１２）内に配置された燃料入口（３２）と、
   前記混合セクション（１６）内に半径方向に噴射された前記燃焼用空気（２４）の第２の部分（２８）によって軸方向に延びる渦（５８）を発生させるように該混合セクション（１６）内に配置されて、該燃料インジェクタ（１０）の出口（１９）における燃料／空気混合気（６０）を生成するために前記噴射した燃焼用空気（２４）の第１の部分（２２）及び第２の部分（２８）との前記噴射した燃料（４６）の混合を促進する渦発生装置（５６）とを含む、
   燃料インジェクタ（１０）。
2. 前記燃料入口（３２）が、上流に向いた軸方向速度成分を有する状態で燃料を噴射するように構成される、請求項１記載の燃料インジェクタ（１０）。
3. 前記燃料入口（３２）が、前記半径方向空気入口（２６）に対して角度的に偏位している、請求項１記載の燃料インジェクタ（１０）。
4. 前記燃料入口（３２）に燃料（４６）を導くように前記中心本体（１２）内に配置された燃料導管（４８）をさらに含む、請求項１記載の燃料インジェクタ（１０）。
5. 前記混合セクション（１６）内への燃料噴射を選択的に制御するように前記燃料導管（４８）内に配置されたバルブ（５０）をさらに含む、請求項４記載の燃料インジェクタ（１０）。
6. 前記半径方向入口が、前記第１のケーシング（１４）の少なくとも一部分内で軸方向に延びる複数の環状に間隔を置いて配置したスロット（３０）を含む、請求項１記載の燃料インジェクタ（１０）。
7. 前記渦発生装置（３２）が、前記中心本体（１２）の外面（４４）内に形成された複数の環状に間隔を置いて配置したベーン（６２）を含む、請求項６記載の燃料インジェクタ（１０）。
8. 前記ベーン（６２）が、前記中心本体（１２）の少なくとも軸方向部分に沿って延びかつ前記中心本体（１２）から少なくとも部分的に前記混合セクション（１６）内に半径方向外向きに配向される、請求項７記載の燃料インジェクタ（１０）。
9. 前記ベーン（６２）が、前記半径方向入口（２６）のそれぞれのスロット（３０）と整列した第１の複数の尖端部分（６４）を含み、前記半径方向に噴射した空気（例えば、２８）が、前記尖端部分（６４）によって分割されて該半径方向に噴射した空気（２８）によってそれぞれの対向反転渦（５８）を発生させるようになる、請求項８記載の燃料インジェクタ（１０）。
10. 前記ベーン（６２）が、前記半径方向空気入口（２６）のスロット（３０）に対して角度的に偏位した第２の複数の尖端部分（７０）を含む、請求項９記載の燃料インジェクタ（１０）。

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