JP3977471B2

JP3977471B2 - 内燃式往復ピストン・エンジンにおける燃料噴射の方法及び装置

Info

Publication number: JP3977471B2
Application number: JP00401997A
Authority: JP
Inventors: シュッツマティアス
Original assignee: Wartsila NSD Schweiz AG
Current assignee: Wartsila NSD Schweiz AG
Priority date: 1996-01-29
Filing date: 1997-01-13
Publication date: 2007-09-19
Anticipated expiration: 2017-01-13
Also published as: EP0786592A1; KR100477012B1; DK0786592T3; CN1162064A; DE59609153D1; CN1085300C; KR970059487A; FI970354A; JPH09209866A; FI970354A0; FI111981B; EP0786592B1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は内燃式往復ピストン・エンジンの燃焼室内へ燃料を噴射する方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
内燃式往復ピストン・エンジンの燃焼室内へ燃料を噴射する方法は、国際特許出願公開第９４／１８４４９号に開示されている。この方法において、噴射ノズルのニードルの位置はアクチュエータによって制御されている。ニードルは噴射サイクル中に連続的に開放された状態に維持される。ニードルの位置は燃料噴射率を制御すべく変更可能である。予備噴射及び続く主噴射を実施可能とすべくニードルの位置と、同位置に基づく燃料噴射率とはアクチュエータに接続された制御装置を通じて変更し得る。この従来の方法の問題点としては、燃料噴射率を時間の関数として非常に狭い範囲内でのみ変更し得る点が挙げられる。
【０００３】
本発明の目的は燃料噴射率を通じて内燃式往復ピストン・エンジンの燃焼室内における熱発生率を広範、かつ適切に制御可能にした噴射方法と、同噴射方法を使用する噴射装置とを提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明の目的は内燃式往復ピストン・エンジンの燃焼室内へ燃料を噴射する本発明の方法により達成される。同方法では、燃料噴射の完全な中断と、次いで行われる燃料噴射の再開とを各噴射サイクル中に複数回繰り返し、これにより１つの噴射サイクルに対して提供された燃料が全て噴射されるまで燃料の一部を連続的に複数回噴射する。この方法は内燃式往復ピストン・ディーゼル・エンジン、特に低速ディーゼル・エンジンに適する。
【０００５】
以下において、噴射サイクルという用語は、１つの燃焼サイクルに要する全ての燃料をシリンダのシリンダ空間内へ噴射する工程を意味する。本発明の方法は自己着火する低速内燃式往復ピストン・ディーゼル・エンジンに特に適する。各燃焼プロセスの終了後、噴射サイクルが新たに開始される。燃料供給を複数回中断し、かつ燃料の一部を噴射するようにして、燃料は各噴射及び燃焼のサイクル中に本発明の方法に基づいて噴射される。この方法は２ストローク内燃式往復ピストン・エンジンまたは４ストローク内燃式往復ピストン・エンジンの各噴射及び燃焼のサイクルにおいて実施される。本発明の方法により、シリンダ空間内における燃焼によって生じる時間の関数またはクランクシャフト角度の関数としての熱発生率を噴射する燃料の各量を通じて制御し得る。燃料噴射はパルス幅変調等により変更する。同パルス幅変調では、燃料噴射の継続時間と、２つの燃料噴射の間のインターバルとを制御装置を用いて変更する。燃料噴射と、続いて行われる燃料噴射の中断とを噴射サイクル中に３〜５回繰り返すことは効果的である。効果的な運転において、燃焼室内における熱発生率がクランクシャフト角度の関数としてほぼ直線的に増大するように燃料供給を変更する。このような熱発生率により、高い効率と、これに対応する低い燃料消費とを実現し得る。
【０００６】
また、本発明のディーゼル・エンジンは本発明の噴射方法に基づいて運転されるか、または本発明の噴射装置を有する。
【０００７】
【発明の実施の形態】
図１は多気筒低速２ストローク内燃式往復ピストン・ディーゼル・エンジンの１つのシリンダ４４を示す。ピストン４５はシリンダ４４内において上下動可能に収容されている。ピストン４５はシリンダ４４上に取付けられたシリンダ・ヘッド４６とともに燃焼室４３に面している。第１の噴射ノズル１ａ及び第２の噴射ノズル１ｂは液体燃料を燃焼室４３内へ噴射する。排気弁（図示略）はシリンダ・ヘッド４６の中心に配置されている。この結果、ピストン４５の上昇開始時にシリンダ４４内で長さ方向に掃気が行われる。従来の構造を有する第１の噴射ノズル１ａ及び第２の噴射ノズル１ｂはジェット・ニードル７を有する。ジェット・ニードル７は閉鎖バネ８により座面１’へ付勢されている。止り穴はノズル・ハウジング内において座面１’の真下に形成されている。止まり穴から噴射口２が延設されており、同噴射口２は燃焼室４３に対して開口している。圧力室１０はノズル・ハウジング内において座面１’より上に形成さている。圧力室１０は圧力管路９ａ，９ｂを介して噴射装置４０ａ，４０ｂにそれぞれ連通されている。噴射ノズル１ａ，１ｂの噴射中に管路９ａ，９ｂを介して圧力室１０へ供給される燃料の圧力はバネ８の付勢力より更に大きい。この結果、ジェット・ニードル７は座面１’から離間して上昇される。これにより、燃料は噴射口２を介して燃焼室４３内へ噴射される。管路４２は噴射ノズル１ａ，１ｂのハウジング内に連通するとともに、漏れ燃料の輸送を行う。噴射装置４０ａ，４０ｂは電気制御信号線４１ａ，４１ｂを介して燃料噴射の開始及び終了を制御すべく構成されている。更に、噴射装置４０ａ，４０ｂは電気制御信号線４６ａ，４６ｂを介して燃料噴射量を制御するように構成することができる。２つの噴射装置４０ａ，４０ｂは燃料供給管路４７ａ，４７ｂにそれぞれ連通している。制御装置５０は各弁１ａ，１ｂを開閉すべく制御信号線４１ａ，４１ｂ及び別の制御信号線４６ａ，４６ｂを介して噴射装置４０ａ，４０ｂを制御する。制御装置５０は電気信号線５０ｂを介してセンサ５２に接続されている。センサ５２は内燃式往復ピストン・エンジンのクランクシャフト５３の回動角度ωを監視する。更に、制御装置５０は電気信号線５０ａを介して入出力装置（Ein- und Ausgabevorrichtung）５１に接続されている。入出力装置５１は制御値（Steuerwerte）を設定し、かつ状態値（Zustandswerte）を表示し得る。制御装置５０は状態パラメータを決定するセンサ（図示略）に接続可能である。制御装置５０から送信される制御信号に基づいて、噴射装置４０ａ，４０ｂを使用した燃料噴射の中断と、続いて行われる燃料噴射の再開とを噴射サイクル中に複数回繰り返し得る。このため、噴射装置４０ａ，４０ｂは高い動特性を有する。制御装置５０を使用して、時間の変化またはクランクシャフト角度の変化に基づいて２つの噴射ノズル１ａ，１ｂを時間的に同期して駆動できる。
【０００８】
図２は本発明の実施の形態に基づく噴射装置４０ａの一部を示す概略図である。高圧ポンプ８０及びアキュムレータ８１は燃料を噴射装置４０ａに対して供給する。燃料の入口通路６７は通路６８及び主通路６９へ分岐している。通路６８は差動ピストンとして形成されたメータリング・ピストン７０の裏面７２まで延びている。主通路６９は制御ピストン１００の溝１４１を通じて燃料を入口通路部分１２３へ供給する。加圧された制御用オイルを用いてインプット（Zulauf）及びリターン（Ruecklauf）を有する制御油圧装置（Steuerhydraulik）９０の制御弁９１を動作させた際、制御ピストン１００の端面１４３は下方へ移動する。電子制御装置５０はパイロット制御弁９１に対して制御コマンドを送信する。電子制御装置５０は正確な時点における正確な量の燃料噴射を保証する。この結果、例えばクランクシャフト３に取付けられたセンサ５２からの角度信号は電気接続５０ｂを通じて制御装置５０へ送信される。例えば、信号発生器７３は誘導的に機能可能（induktiv arbeitet）であり、同信号発生器７３はシャフト７４の位置を監視し、かつメータリング・ピストン７０の位置を示す信号を電子制御装置５０へ送信する。従って、各噴射工程における燃料噴射量の特定及び変更が可能である。
【０００９】
制御ピストン１００が下方へ向かって移動する間、主通路６９及び入口通路部分１２３の間の連通が最初に遮断される。次いで、出口通路１２４は制御ピストン１００内の溝１４２を通じて噴射通路９ａに連通される。噴射通路９ａはディーゼル・エンジンのシリンダ４４の噴射ノズル１ａに連通している。メータリング・ピストン７０はチャネル６８を通じてメータリング・ピストン７０の裏面７２に加えられた燃料の圧力により移動する。燃料はシリンダ空間４３内へ噴射される。パイロット制御弁９１を閉鎖し、かつ制御用オイルの戻り通路を開放した場合、制御ピストン１００は制御ピストン１００の端面１４４上に作用する燃料の圧力及びバネの力により押し上げられる。通路９ａに対する燃料供給は中断され、これにより噴射が終了する。このプロセスは噴射サイクル中、繰り返し実施できる。図２では、燃焼室４３に対して開放されている第２の噴射ノズル１ｂを簡単に示す。噴射装置４０ａと同一の構造をなす別の噴射装置４０ｂ（図示略）は燃料を第２の噴射ノズル１ｂへ供給する。
【００１０】
制御ピストン１００において、高圧燃料に対するシーリングは５つのシールにより連続的に行われる。最も重要な噴射ノズル１ａに対する接続部のシーリングは弁座１４５によって行われる。この結果、管路９ａは各噴射工程間において加圧下に曝されることがない。弁座１４５は閉鎖状態において完全にシールされる。これにより、無制御な噴射を防止し得る。別のシール１４６では、制御ピストン１００の密着を利用しており、かつ僅かな量の燃料の漏れが許容されている。漏れた燃料は戻りチャネル１２７を通じて燃料タンクへ戻される。
【００１１】
図３は噴射サイクル中における燃料噴射を示す。内燃式往復ピストン・エンジンのクランクシャフト角度ωを横軸に示す。曲線２０１はクランクシャフト角度ωの関数としての燃料噴射率を示す。曲線２０１のプロフィールは比較を容易にすべく理想化されている。実際には、燃料噴射装置の慣性と、流動する燃料の慣性とに起因して、曲線２０１は矩形プロフィールを有さない。寧ろ、曲線２０１は一時的なオシレーションを前方変曲点及び後方変曲点においてそれぞれ示す。矩形波形、特にパルス幅変調により変調された信号は変曲点においてオシレーションを示す。第１の噴射段階２０１ａ中、燃料は同第１の段階２０１ａの幅に一致するクランクシャフト角度にわたってシリンダ空間４３内へ噴射される。次いで、第２の燃料噴射段階２０１ｂの始めに新たな燃料噴射を開始するまで燃料噴射は完全に中断される。そして、第２の燃料噴射段階２０１ｂにおける燃料噴射も同様に中断される。第３の燃料噴射段階２０１ｃ後、噴射工程が終了する。この例において、単位クランクシャフト角度当たりの燃料噴射率は一定に維持され、燃料は２０度の全クランクシャフト角度を通じて３つの噴射段階２０１ａ，２０１ｂ，２０１ｃでそれぞれ噴射される。更に、噴射段階２０１ａ，２０１ｂ，２０１ｃの幅を変化させる一方、２つの噴射段階の間における燃料噴射中断の長さをクランクシャフト角度に対して一定に維持している。
【００１２】
更に、図３はシリンダ空間内に形成される熱発生率２０２をクランクシャフト角度ωの関数として示す。燃料は第１の噴射段階２０１ａ中にシリンダ空間内で既に点火されており、これにより曲線２０２ａに一致する熱発生率が生じる。そして、燃料噴射の中断後、曲線２０２ｂに一致する熱発生率が生じる。次の噴射段階２０１ｂは２つの曲線領域２０２ｃ，２０２ｄに一致する熱発生率を形成する。最終噴射段階２０１ｃは２つの曲線領域２０２ｅ，２０２ｆに一致する熱発生率を形成する。燃料噴射率２０１のプロフィール及び熱発生率２０２のプロフィールを比較した場合、熱発生率２０２のプロフィールは同熱発生率２０２に対応する燃料噴射２０１を変更することにより、広範にわたって変化させ得ることがわかる。
【００１３】
理想的な効率は定圧燃焼により内燃式往復ピストン・ディーゼル・エンジン内で実現される。図５は定圧熱発生率（isobare Waermeentwicklungrate）２０３をクランクシャフト角度ωの関数として示す。熱発生率の理想的なプロフィールは実際の内燃式往復ピストン・エンジン内で実現されることはない。しかし、本発明に基づく噴射方法は理想的なプロフィールに近いプロフィールを実現し得る。これは図３に示す熱発生率２０２から明らかである。熱発生率２０２のプロフィールは互いに部分的に重複する複数の鋸歯成分を有するほぼ三角形のプロフィールに一致する。図４に示すように、互いに部分的に重複する複数の鋸歯成分をほぼ均一にすべく、噴射段階２０１ａ，２０１ｂ，２０１ｃ，２０１ｄ，２０１ｅの総数を増加可能であり、例えば５つの噴射を２０度の全クランクシャフト角度を通じて実施し得る。これは熱発生率の脈動を低下させ得る。図４に示す燃料噴射率２０１では、各噴射段階２０１ａ，２０１ｂ，２０１ｃ，２０１ｄ，２０１ｅの幅を一定に維持する一方、各噴射段階間のインターバルの幅を変化させている。
【００１４】
効果的な噴射方法では、燃料噴射量の５０％を総噴射継続時間（gesamten Einspritzdauer）の最初の６６％以内に噴射する。
各噴射段階２０１ａ，２０１ｂ，２０１ｃの幅と、２つの噴射段階の間の噴射中断の幅とを変化させるべく燃料噴射率を変更し得る。このような変更はパルス幅変調（ＰＷＭ）と称される。更に、パルス振幅変調（ＰＡＭ）により燃料噴射率を変更し得る。この場合、燃料噴射率２０１の振幅は図３または図４に示すように一定に維持されない。燃料噴射率２０１の振幅は噴射装置４０ａ，４０ｂを通じて変更される。更に、パルスの幅及び高さの両方を変化させるべく燃料噴射率２０１を変更し得る。即ち、パルス幅変調（ＰＷＭ）及びパルス振幅変調（ＰＡＭ）の組み合わせを使用する。
【００１５】
また、本発明のディーゼル・エンジンは本発明の噴射方法に基づいて運転されるか、または本発明の噴射装置を有する。
以上詳述したように、本発明によれば、シリンダ空間内における燃焼により生じる時間の関数またはクランクシャフト角度の関数としての熱発生率を噴射する燃料の各量を通じて制御し得る。また、効果的な運転において、燃焼室内における熱発生率がクランクシャフト角度の関数としてほぼ直線的に増大するように燃料供給を変更する。このような熱発生率により、高い効率と、これに対応して低い燃料消費とを実現し得る。
【００１６】
【発明の効果】
本発明によれば、燃料噴射率を通じて内燃式往復ピストン・エンジンの燃焼室内における熱発生率を広範、かつ適切に制御し得るという優れた効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【図１】噴射ノズル及びシリンダを有する噴射装置の概略図。
【図２】噴射装置の概略図。
【図３】クランクシャフト角度の関数としての燃料噴射の例を示すグラフ。
【図４】クランクシャフト角度の関数としての燃料噴射の別例を示すグラフ。
【図５】クランクシャフト角度の関数としての燃焼室内での理想的な熱発生率の例を示すグラフ。
【符号の説明】
１ａ，１ｂ…噴射ノズル、９…管路、４０ａ，４０ｂ…噴射装置、４１ａ，４１ｂ，４６ａ，４６ｂ…制御信号線、４３…燃焼室、４７ａ，４７ｂ…燃料供給管路、５０…制御装置、５０ｂ，５０ｃ…信号線、５３…クランクシャフト、６０…温度センサ、ω…クランクシャフトの回動角度。

Claims

内燃式往復ピストン・エンジンの燃焼室内へ燃料を噴射する方法において、燃料噴射の完全な中断と、次いで行われる燃料噴射の再開とを各噴射サイクル中に複数回繰り返し、これにより１つの噴射サイクルに対して提供された燃料が全て噴射されるまで燃料の一部を連続的に３回以上噴射する方法であって、
パルス幅変調に基づいて燃料の噴射を噴射サイクル中に制御し、
１つの噴射サイクルに対して３回以上噴射される各噴射段階（２０１ａ，２０１ｂ，２０１ｃ）の間における燃料噴射中断の長さを、一定に維持し、
各噴射段階（２０１ａ，２０１ｂ，２０１ｃ）における燃料噴射量を徐々に増大させることを特徴とする方法。
パルス振幅変調に基づいて燃料の噴射を噴射サイクル中に制御する請求項１に記載の方法。
内燃式往復ピストン・エンジンのクランクシャフト（５３）の回動角度（ω）を制御装置（５０）を用いて検出し、同制御装置（５０）は各噴射サイクル中における燃料噴射量をクランクシャフト角度（ω）の関数として予め指定可能にして噴射装置（４０ａ，４０ｂ）を制御する請求項１または２に記載の方法。
クランクシャフト角度（ω）の関数としてほぼ直線的に増大する熱発生を燃焼室内において燃焼サイクル中に形成すべく燃料噴射量がクランクシャフト角度（ω）に基づいて変化する請求項３に記載の方法。
１つの噴射サイクル中に燃料を連続的に少なくとも３回噴射する請求項１乃至４のいずれか一項に記載の方法。
燃料噴射量の５０％を総噴射継続時間の最初の６６％以内に噴射する請求項１乃至５のいずれか一項に記載の方法。
制御装置（５０）と、同制御装置（５０）に対して制御信号線（４１ａ，４１ｂ，４６ａ，４６ｂ）を通じて接続された少なくとも１つの噴射装置（４０ａ，４０ｂ）と、同噴射装置（４０ａ，４０ｂ）に連通する燃料供給管路（４７ａ，４７ｂ）と、燃料噴射装置（４０ａ，４０ｂ）から噴射ノズル（１ａ，１ｂ）まで延びる管路（９）とを有する請求項１乃至６のいずれか一項に記載の方法を実施する装置。
クランクシャフト（５３）の回動角度（ω）を検出するとともに、信号線（５０ｂ）を通じて制御装置（５０）に接続されているセンサ（５２）を有する請求項７に記載の装置。
請求項１乃至６のいずれか一項に記載の方法に基づいて運転されるか、または請求項７乃至８のいずれか一項に記載の装置を有するディーゼル・エンジン。