专利名称：用于二甲醚燃料的燃料喷嘴和包括该燃料喷嘴的柴油机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用DME(二甲醚)作为燃料的柴油机中的用于二甲醚燃料的燃料喷嘴。
背景技术：
用轻油作为燃料的柴油机的传统燃料喷嘴例如包括如图9中所示的针阀2。如图10中所示，在针阀2的顶端部21的外周面就座在阀座部33上的状态下，轻油燃料向喷嘴体3的燃料喷射部31的连通被阻塞，燃料喷嘴1进入阀关闭状态(例如，看JP-A-11-13576)。针阀2的顶端部21具有这样的形状，即轴径L1与接触阀座部33的座部211的座径L2之比变成L2/L1＝0.60到0.75。此外，它具有这样的形状，即座径L2与用来在针阀2的完全升起处调节最小流路面积的顶尖径L3之比变成L3/L2＝0.35到0.60。如图11中所示，针阀2在附图标记B所示的方向上升起，通过针阀2的顶端部21从阀座部33分离所产生的空间构成流路，燃料喷嘴1进入阀打开状态。针阀2被如此调节，即当使针阀升起由附图标记D所示的升起量并进入完全升起状态时，最小流路面积d变成由顶尖径L3导致的最佳流路面积。
从未示出的喷射泵、共轨等等供给的高压轻油燃料流入阀座33内部，并从燃料喷射孔31喷射到柴油机的燃烧室中，如附图标记C所示。喷射到燃烧室中的高压轻油燃料通过自燃而燃烧，该自燃由与高温高压空气的混合所引起。
如上所述，柴油机的燃烧以这样一种方式执行，即将燃料喷入高温高压空气中，通过空气与燃料的混合引起自燃。然而近年来，柴油机的大气污染变成一个问题，作为防备大气污染的措施，用DME代替轻油作为燃料受到了关注，DME的排气是干净的。由于DME燃料具有高十六烷值，并且能进行压燃，所以它能被用作柴油机的燃料。此外，由于在废气中根本不包含烟和硫氧化物，所以它对人无害，并且对臭氧层的破坏和温室效应没有影响。而且，由于它能较容易地从除了油之外的各种原料合成，所以与轻油相比，它能以低成本进行大规模生产。
因而，根据社会要求，例如由废气引起的环境问题、油资源枯竭，和防备突然的油危机的燃料多样化必然性，很可能在不久的未来实现这样一种情况，即通过用轻油作为燃料的现有柴油机进行旅行和拥有现有柴油机被规章所禁止。此外，如今，除了DME之外，没有比DME更有价值的东西代替轻油作为柴油机的候备燃料，并且DME燃料的柴油机系统当前处于发展的先进阶段，因而可以说，在不久以后，DME会替换轻油作为柴油机的燃料。
然而，如上所述，虽然DME作为柴油机的燃料具有许多优点，但与轻油相比，从同样数量的燃料获得的能量较低，因而，当燃料喷射量与使用轻油的情况相同时，发动机输出功率低于使用轻油的情况，这样，用轻油作为燃料的传统柴油机不能直接用作使用DME作为燃料的柴油机。在从头设计和制造用DME作为燃料的柴油机的情况下，如果燃料喷射量设定成使得能通过DME燃料获得特定的发动机输出功率，则就足够了。然而，在用轻油作为燃料的现有柴油机车辆中，如果安装的整个柴油机必须用DME燃料柴油机替换，则它会花费非常高的成本、劳动和时间，这是不现实的。因而，即使DME燃料柴油机车辆投入实际使用，现有轻油燃料柴油机车辆的更换也不会平稳地完成，由于这一点，DME燃料柴油机的普及被很大地耽搁，并且存在一种担心，即防备令人担心的环境破坏和全球变暖的措施受到耽搁，并加速了油资源的耗尽。
发明内容
本发明鉴于这种情况而作出，其目标是在不更换整个柴油机的情况下，使现有轻油燃料柴油机车辆作为用DME作为燃料的柴油机车辆运行，并且成本很低且容易实现。
为了实现上述目标，根据本发明第一方面，一种用于DME燃料的燃料喷嘴，其安装在轻油燃料柴油机的每个燃烧室中，并用来通过使用DME燃料来驱动轻油燃料柴油机，该燃料喷嘴包括喷嘴体和针阀，喷嘴体具有燃料喷射孔，燃料喷射孔具有一总喷射孔面积，以获得一DME燃料喷射量，该DME燃料喷射量使比得上轻油燃料的发动机输出功率能被获得，针阀设置成能朝着燃料喷射孔往复运动，其特征在于使针阀从针阀的顶端部就座在燃料喷射孔的阀座部上的状态和从燃料喷射孔关闭的状态升起，使针阀的顶端部从阀座分离，以便构造从喷嘴体内部到燃料喷射孔的DME燃料的燃料流路，和将所述燃料流路构造成具有一流路面积，使得能通过DME燃料获得相对于针阀升起量比得上轻油燃料的发动机输出功率特性。
为了获得比得上轻油燃料的发动机输出功率，必需相对于针阀升起量增加燃料喷射量。于是，首先，形成于喷嘴体中的燃料喷射孔的总喷射孔面积增加，喷嘴体是用来将DME燃料喷入燃烧室的喷射部。即，使得燃料喷射孔的总喷射孔面积具有这样的尺寸，即来自燃料喷射孔的DME燃料喷射量使比得上轻油燃料的发动机输出功率能被获得。由于这一点，能将DME燃料喷入燃烧室中，该DME燃料的数量使比得上轻油的发动机输出功率能被获得。顺便提及，为了通过用DME燃料来获得比得上轻油燃料的发动机输出功率，需要大约两倍的燃料喷射量，因而，必需在喷嘴体中形成具有大约两倍或更大的总喷射孔面积的燃料喷射孔。
从喷嘴体内部到燃料喷射孔的DME燃料的燃料流路以这样一种方式构造，即针阀升起，针阀的顶端部从阀座部分离，该燃料流路具有流路面积，该流路面积使得能通过使用DME燃料获得相对于针阀升起量比得上轻油燃料的发动机输出功率特性。这样，在设计成用轻油作为燃料的柴油机中，能在不改变燃料喷嘴外形、针阀外径等等的情况下，通过使用DME燃料获得比得上轻油燃料的发动机输出功率。因而，当设计成用轻油作为燃料的现有柴油机的燃料喷嘴被用于DME燃料的燃料喷嘴更换时，现有的轻油燃料柴油机能作为将DME用作燃料的柴油机直接被驱动。
这时，根据本发明第一方面的用于DME燃料的燃料喷嘴，当设计成用轻油作为燃料的现有柴油机的燃料喷嘴被用于DME燃料的燃料喷嘴更换时，现有的轻油燃料柴油机能作为将DME用作燃料的柴油机直接被驱动。因而，能获得这样的作用和效果，即在不更换整个柴油机的情况下，使现有的轻油燃料柴油机车辆作为用DME作为燃料的柴油机车辆运行，并且成本很低且容易实现。
根据本发明第二方面，在第一方面中，用于DME燃料的燃料喷嘴特征在于针阀的顶端部具有一种形状，即用来调节最小流路面积的顶尖径L3与就座在阀座部上的座部的座径L2之比是L3/L2＝0.70或更高。
顶尖径与座径之比L3/L2设定成0.70或更高，而其在用轻油作为燃料的传统柴油机中设定成大约0.35到0.6。即，顶尖径和座径之间的差别变小，由于顶尖径/座径的值接近1，所以顶尖径的尺寸接近座径，接触阀座部的座部与顶尖径之间的间隔变短。因而，由于顶尖径不可避免地变得大于常规针阀，所以在座部就座在阀座部上的状态下，顶尖径在阀座部中的位置位于阀座部的一内周面处，该内周面的内径大于传统针阀的情况。因而，阀座部内周面的内径变大，该内径与顶尖径一起构成了完全升起处的最小流路面积，由于这一点，在完全升起处由顶尖径调节的最小流路面积能增大。
这时，根据本发明第二方面的用于DME燃料的燃料喷嘴，由于顶尖径与座径之比L3/L2设定成0.70或更高，所以由顶尖径调节的完全升起处最小流路面积能增大，由于这一点，能获得前述本发明第一方面的作用和效果。
根据本发明第三方面，在第二方面中，用于DME燃料的燃料喷嘴特征在于针阀的顶端部具有这样的形状，即针阀的轴径L1与座径L2之比是L2/L1＝0.85或更高。
轴径与座径之比L2/L1在本发明中设定成0.85或更高，而其在用轻油作为燃料的传统柴油机中设定成大约0.60到0.70。即，轴径和座径之间的差别变小，由于座径/轴径的值接近1，所以座径的尺寸接近轴径。因而，座径变得大于传统针阀的座径，与其相称，顶尖径也不可避免地变大。因而，在座部就座在阀座部上的状态下，顶尖径在阀座部中的位置位于具有更大内径的阀座部的内周面处。因而，阀座部内周面的内径进一步变大，该内径与顶尖径一起构成了完全升起处的最小流路面积，由于这一点，在完全升起处由顶尖径调节的最小流路面积能进一步增大。
这时，根据本发明第三方面的用于DME燃料的燃料喷嘴，由于轴径与座径之比L2/L1被设定成0.85或更高，所以由顶尖径调节的完全升起处最小流通面积能进一步增大，由于这一点，能获得前述根据本发明第二方面的作用和效果。
根据本发明第四方面，在第一到第三方面的任一个中，用于DME燃料的燃料喷嘴特征在于燃料喷射孔具有一种形状，即总喷射孔面积是0.6平方毫米或更大。
由于用轻油作为燃料的传统柴油机燃料喷嘴的总喷射孔面积被设定成大约0.3平方毫米或更小，所以当使总喷射面积为0.6平方毫米或更大时，流过燃料喷射孔的燃料能增大两倍或更多。因而，通过使用DME燃料，可能获得比得上或高于轻油燃料的发动机输出功率，其中与传统轻油燃料相比，当燃料量相同时，仅仅获得大约一半的发动机输出功率。
根据本发明第五方面，一种柴油机包括根据第一到第四方面中任一个的用于DME燃料的燃料喷嘴。
根据本发明第五方面的柴油机，在该柴油机中，特别是在设计成用轻油作为燃料的现有柴油机中，能获得前述本发明第一到第四方面中任一个的作用和效果。
图1是剖视图，表示一喷嘴座的大致结构，该喷嘴座包括根据本发明的用于DME燃料的燃料喷嘴；图2是剖视图，表示根据本发明的用于DME燃料的燃料喷嘴的大致结构；图3是透视图，表示根据本发明的用于DME燃料的燃料喷嘴的针阀和喷嘴体的外观；图4表示根据本发明的用于DME燃料的燃料喷嘴的针阀，其中图4(a)是针阀的前视图，图4(b)是一个前视图，其中针阀的顶端部被放大；图5是剖视图，其中根据本发明的用于DME燃料的燃料喷嘴的一部分被放大并示出；图6是剖视图，其中根据本发明的用于DME燃料的燃料喷嘴的那个部分被放大并示出，并表示了一种状态，其中针阀从图5中所示的阀关闭状态升起；图7是一个图，示意性地表示相对于根据本发明的用于DME燃料的燃料喷嘴的针阀升起量的流路面积特性；
图8表示根据本发明的用于DME燃料的燃料喷嘴的另一个实施方式，其中图8(a)是针阀的前视图，图8(b)是一个前视图，其中针阀的顶端部被放大；图9表示用轻油作为燃料的传统燃料喷嘴的针阀，其中图9(a)是针阀的前视图，图9(b)是一个前视图，其中针阀的顶端部被放大；图10是剖视图，其中用轻油作为燃料的柴油机的燃料喷嘴的一部分被放大并示出；图11是剖视图，其中用轻油作为燃料的柴油机的燃料喷嘴的那个部分被放大并示出，并表示了一种状态，其中针阀从图10中所示的阀关闭状态升起。
具体实施例方式
在下文中，将参考
本发明的实施方式，同时与用轻油作为燃料的柴油机的传统燃料喷嘴进行比较。
图1是剖视图，表示一喷嘴座的大致结构，该喷嘴座包括根据本发明的作为“用于DME燃料的燃料喷嘴”的燃料喷嘴。
燃料喷嘴1是长杆型孔式喷嘴，其通过喷嘴座50布置在柴油机的每个燃烧室中。增压到高压的DME燃料被从进口接头53通过过滤器531引入(附图标记A)燃料喷嘴1的喷嘴体3。推杆51上部的喷嘴弹簧52调节燃料喷嘴1的喷射起始压力，其调节通过调节螺钉54进行。燃料喷嘴1的滑动部的润滑由DME燃料的一部分进行，进行润滑的DME燃料充满喷嘴弹簧52的容纳空间，并从溢流部55返回到未示出的燃料箱。
图2是剖视图，表示根据本发明的燃料喷嘴1的大致结构，图3是透视图，表示燃料喷嘴1的针阀2和喷嘴体3的外观。
如附图标记A的箭头所示，通过过滤器531从进口接头53引入到燃料喷嘴1内部的高压DME燃料通过油储存室32充满喷嘴体3的内部，在由附图标记B所示的方向上，针阀2通过喷嘴体3内部中的DME燃料的压力进行移动以打开阀，DME燃料从燃料喷射孔31喷入燃烧室中，如附图标记C的箭头所示。
图4表示本发明的燃料喷嘴1的针阀2，其中图4(a)是针阀2的前视图，图4(b)是一个前视图，其中针阀2的顶端部21被放大。图5是剖视图，其中燃料喷嘴1的一部分被放大并示出。
针阀2具有大致圆柱形的形状，顶端部21大致具有直立圆锥的形状。顶端部21的形状由顶尖径L3、座部211的座径L2和轴径L1规定，顶尖径L3用来调节在完全升起处的燃料喷嘴1的最小流路面积，座部211接触阀座部33并阻塞与燃料喷射孔31的连通，顶端部角度接近92度。顶尖径L3设定成φ2.5毫米，座径L2设定成φ3.0毫米，轴径L1设定成φ3.25毫米。顶尖径L3与座径L2之比是L3/L2＝2.5毫米/3.0毫米＝大约0.833，座径L2与轴径L1之比是L2/L1＝3.0毫米/3.25毫米＝大约0.92。
在阀关闭状态的燃料喷嘴1中，针阀2的顶端部21的外周面就座在作为燃料喷射孔31入口的喷嘴体3的阀座部33上，如图中所示，其中针阀2在一种状态中被推动，即喷射起始压力由喷嘴弹簧52的弹簧力进行调节。然后，通过从喷射泵等等送出的预定量高压DME燃料的压力使针阀2升起，以便针阀2的顶端部21从阀座部33分离，形成阀打开状态，DME燃料被从针阀2的顶端部21和阀座部33之间送到燃料喷射孔31。
作为信息，在图9中所示的用轻油作为燃料的柴油机的燃料喷嘴1的针阀2中，顶尖径L3设定成φ1.1毫米，座径L2设定成φ2.2毫米，轴径L1设定成φ3.25毫米。顶尖径L3与座径L2之比是L3/L2＝1.1毫米/2.2毫米＝0.50，座径L2与轴径L1之比是L2/L1＝2.2毫米/3.25毫米＝大约0.68。此外，如图10中所示，由于当使用同样数量的燃料喷射时，轻油燃料能产生比DME燃料更大的发动机输出功率，所以形成于喷嘴体3中的燃料喷射孔31的总喷射孔面积被设定成小于根据本发明的燃料喷嘴1的燃料喷射孔31的总喷射孔面积。
图6是剖视图，其中本发明的燃料喷嘴1的一部分被放大并示出，并表示了一种状态，其中针阀2从图5中所示的阀关闭状态升起。
针阀2在由附图标记B所示箭头的方向上移动，并升起到最大升起量D的位置，在完全升起状态出现的时间点，针阀2的顶端部21和阀座部33之间的间隔成为最小的部分的面积是最小流路面积d。因而，由顶端部21的外周面与阀座部33之间的最小流路面积d形成的流路面积是最小流路面积。此外，燃料喷射量的最大值由燃料喷射孔31的总喷射孔面积确定。顺便提及，在本实施方式中，燃料喷嘴1在完全升起处的最大升起量D被设定成大约0.25毫米。
这里，与图11中所示的用轻油作为燃料的柴油机的燃料喷嘴1的情况相比，首先，根据本发明的燃料喷嘴1的喷嘴体3的燃料喷射孔31的尺寸形成得更大，由于这一点，总喷射孔面积设定成大约两倍那么大。这是因为，如前所述，为了通过使用DME燃料获得与轻油燃料相同的发动机输出功率，大于轻油燃料的燃料喷射量变成必需的。因而，通过将燃料喷射孔31的总喷射孔面积设定成大于使用轻油燃料时的总喷射孔面积，能通过DME燃料获得比得上轻油燃料的发动机输出功率。
此外，在本发明的燃料喷嘴1中，在针阀2的顶端部21中，顶尖径L3与座径L2之比L3/L2设定成大约0.833那么大，而在用轻油作为燃料的传统柴油机燃料喷嘴1中，它设定成0.50。此外，在本发明的燃料喷嘴1中，座径L2与轴径L1之比L2/L1设定成大约0.92那么大，而在用轻油作为燃料的传统柴油机燃料喷嘴1中，它设定成大约0.68。由于这一点，本发明的燃料喷嘴1在完全升起处的最小流路面积d大约是用轻油作为燃料的传统柴油机燃料喷嘴1的两倍那么大。
如上所述，为了获得DME燃料所必需的燃料喷射量，使得顶尖径L3与座径L2之比L3/L2为0.7或更高，在本实施方式中大约为0.833，使得座径L2与轴径L1之比L2/L1为0.85或更高，在本实施方式中大约为0.92，以便在完全升起处的最小流路面积d能成为大约两倍那么大的面积。此外，通过设定每个燃料喷射孔31的孔径以使得总喷射孔面积成为大约两倍那么大，能将燃料喷嘴1的燃料喷射量设定成大约两倍那么大。由于这一点，能获得DME燃料的燃料喷射量，其使得能获得比得上轻油的发动机输出功率。
图7是一个图，示意性地表示相对于本发明燃料喷嘴1的针阀2的升起量的流路面积特性。
由实线表示的图是本发明燃料喷嘴1的图，由另一个长短划线表示的图是用轻油作为燃料的柴油机的燃料喷嘴1的图。由附图标记E1表示的面积是用轻油作为燃料的柴油机的燃料喷嘴1的总喷射孔面积，由附图标记E2表示的面积是本发明的燃料喷嘴1的总喷射孔面积。流路面积(图的纵轴)如图中所示与针阀2的升起量(图的横轴)成比例地增加，针阀2相对于升起量的流路面积特性由顶端部21的顶尖径L3与座径L2之比L3/L2、座径L2与轴径L1之比L2/L1以及燃料喷射孔31的总喷射孔面积确定。从图中很明显，在本发明的燃料喷嘴1中，相对于针阀2的升起量的流路面积以基本上恒定的比率大于轻油燃料的燃料喷嘴1的流路面积。
在本实施方式中，本发明的燃料喷嘴1的总喷射孔面积E2设定成用轻油作为燃料的柴油机燃料喷嘴的总喷射孔面积E1的大约两倍那么大，以便能通过DME燃料获得比得上轻油燃料的发动机输出功率特性。相对于针阀2升起量的流路面积也如此设定以便能获得大约两倍那么大的流路面积。因而，相对于针阀2升起量的大约两倍于轻油的DME燃料能被供给到柴油机的燃烧室，根据这一点，燃料喷射孔31的总喷射孔面积也设定成大约两倍那么大，以便燃料喷射孔31的总喷射孔面积不会成为瓶颈。
这样，在设计成用轻油作为燃料的柴油机中，仅仅当燃料喷嘴变成本发明的燃料喷嘴1时，就能在不改变燃料喷嘴外形、针阀2的轴径等等的情况下，通过DME燃料获得比得上轻油燃料的发动机输出功率特性，因而，能以很低的成本且容易使现有的轻油燃料柴油机车辆作为用DME作为燃料的柴油机车辆运行。
此外，除了第一实施方式之外，作为另一个实施方式，能引用一个实施方式，其中DME燃料的燃料喷射量进一步增加。图8表示根据本发明的用于DME燃料的燃料喷嘴的另一个实施方式，其中图8A是针阀2的前视图，图8B是一个前视图，其中针阀2的顶端部被放大。
由于针阀2的轴的一部分(由附图标记2a表示的部分)小于轴径L1，并具有与座径L2相同的直径，所以到喷嘴体3的间隔变宽，由于这一点，DME燃料的流量能增大。因而，能预期一个效果，即通过使用DME燃料，能以比得上或高于轻油的发动机输出功率驱动设计成用轻油作为燃料的柴油机。
顺便提及，本发明不局限于上述实施方式，在本发明的范围内能作出各种变化，本发明在权利要求中叙述。例如，本发明也能在不是长杆型的孔式喷嘴中实现，不用说那些也包含在本发明的范围内。
根据本发明，能在不更换整个柴油机的情况下，使现有的轻油燃料柴油机车辆作为将DME燃料用作燃料的柴油机车辆运行，并且成本很低且容易实现。
工业应用本发明能用作在用DME(二甲醚)作为燃料的柴油机中的用于DME燃料的燃料喷嘴。
权利要求
1.一种用于DME燃料的燃料喷嘴，其安装在轻油燃料柴油机的每个燃烧室中，并用来通过使用DME燃料来驱动所述轻油燃料柴油机，包括具有燃料喷射孔的喷嘴体，所述燃料喷射孔具有一总喷射孔面积，以获得一DME燃料喷射量，该DME燃料喷射量使比得上轻油燃料的发动机输出功率能被获得；和针阀，其设置成能朝着所述燃料喷射孔往复运动，其特征在于使针阀从针阀的顶端部就座在所述燃料喷射孔的阀座部上的状态和从燃料喷射孔关闭的状态升起，使所述针阀的顶端部从阀座分离，以便构造从喷嘴体内部到所述燃料喷射孔的DME燃料的燃料流路，和将所述燃料流路构造成具有一流路面积，使得能通过DME燃料获得相对于针阀升起量比得上轻油燃料的发动机输出功率特性。
2.如权利要求1所述的用于DME燃料的燃料喷嘴，其特征在于所述针阀的顶端部具有一种形状，即用来调节最小流路面积的顶尖径L3与就座在所述阀座部上的座部的座径L2之比是L3/L2＝0.70或更高。
3.如权利要求2所述的用于DME燃料的燃料喷嘴，其特征在于所述针阀的顶端部具有这样的形状，即所述针阀的轴径L1与座径L2之比是L2/L1＝0.85或更高。
4.如权利要求3所述的用于DME燃料的燃料喷嘴，其特征在于所述燃料喷射孔具有一种形状，即总喷射孔面积是0.6平方毫米或更大。
5.一种柴油机，其包括如权利要求3或4所述的用于DME燃料的燃料喷嘴。
全文摘要
在不更换整个柴油机的情况下，使现有的轻油燃料柴油机车辆能作为用DME作为燃料的柴油机车辆运行，并且成本很低且容易实现。针阀2的顶端部21的形状由顶尖径L3、座部211的座径L2和轴径L1而设定，顶尖径L3用来调节燃料喷嘴1在完全升起处的最小流路面积，座部211接触阀座部33并阻塞与燃料喷射孔31的连通，顶端角度大约是92度。顶尖径L3设定成φ2.5毫米，座径L2设定成φ3.0毫米，轴径L1设定成φ3.25毫米。顶尖径L3与座径L2之比是L3/L2＝2.5毫米/3.0毫米＝大约0.833，座径L2与轴径L1之比是L2/L1＝3.0毫米/3.25毫米＝大约0.92。
文档编号F02M21/08GK1682029SQ03822059
公开日2005年10月12日 申请日期2003年9月16日 优先权日2002年9月17日
发明者野崎真哉, 野田俊郁, 牛山大丈, 早坂行広 申请人:株式会社博世汽车系统