JPH04501153A - 制御可能な燃料噴射ビーム特性を有する燃料噴射ノズル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 制御可能な燃料噴射ビーム特性を有する燃料噴射ノズルこの発明は、請求項１の 前文に記載のような燃料噴射ノズルに関する。

ずっと前からまずディーゼルエンジンのために次にオツトーエンジンのために、 運転に必要な燃料を内燃機関のそれぞれ所定の箇所に加圧して噴射することが知 られている。これは吸気バルブの後ろの空間への燃料噴射とすることができる。

オツトーエンジンに対しては、吸気バルブ上への又は吸気バルブの前の吸気管内 への噴射もまた通常行われる。

噴射ノズルによりともかく通常行われる及び／又は可能であるより一層細かいエ ーロゾルを噴射ノズルが発生させるように、噴射ノズルを構成し作動させるべず つと前から知られていたような超音波振動が補助的に用いられる。使用すること ができる超音波周波数は液体噴霧に対しては１００ｋＨｚ以上の範囲にあり、し かもノズルのそれぞれ用いられる超音波周波数振動部分の形態に関係する。その 際噴射ノズルはそれ自体としては構造的形態に相応する燃料ビームを発生させ、 このビームが超音波周波数振動部品以降では細かいエーロゾル小滴から成り流れ る小滴の霧の特性を有する。

すべての公知の燃料噴射ノズルはその構造によりあらかじめ与えられる特徴的な 燃料ビームの形を有する。燃料ビームの形は周知のように、最小の燃料消費率の 観点ばかりでなく発生が望ましくない排気ガス成分による環境汚染の観点におい ても重要であり、またエンジンの円滑な回転に対しても重要である。例えば糸状 ビームを発生させる燃料噴射ノズルと円錐形ビームを供給するノズルとが区別さ れる。両ビーム形はそれ自体特徴的であるほかに、とりわけノズルから噴射され る燃料の小滴の種々の粒度分布を有する。

それぞれの内燃機関のパラメータとその構造的特徴並びにそのつどの負荷状態に 関係して、それぞれ異なるビーム形状が最適となる。

この発明の課題は、更に内燃機関の異なる運転状態に対しても、選ばれた噴射ノ ズルによる少なくともほぼそれぞれ最適な混合気形成を達成することができるよ うな手段を提供することにある。

この課題は請求項１に記載の装置により解決され、この発明の実施態様は請求項 ２以下に記載されている。

この発明は、燃料噴射ノズルに付属して又はこれに対して、運転時にこの一つの ノズルの燃料ビームの特徴的な形を電気的に制御可能に変更できるような技術的 装置を設ける、という考えに基づいている。この発明に基づきこの装置により、 （細い）糸状ビームから例えば７０°又はそれ以上の開き角を有する円錐形ビー ムに至るまでの噴射ビームの種々の開き角が達成可能であるように、ノズルのビ ーム形が制御される。

この発明に基づく噴射ノズルによれば、運転時にビーム形を制御可能に変更し最 適化することができる。その際更に小滴粒度分布の制御可能な変更が実施される 。この発明は特に約１〜１０ｂａｒの低圧燃料噴射に関する。

大多数の場合には燃料噴射ノズルは同時に噴射弁でもある。その際弁駆動は噴射 すべき燃料により加えられる液体静圧力の作用に基づくようにすることができる 。しかし噴射ノズルがその弁部の開閉のための電磁式装置を備えることが増えて きている。このために主として電磁的構造が用いられる。圧電式駆動装置による 弁装置を備えた燃料噴射ノズルも既に存在する。

この発明によれば、特に有効と認められる周囲条件を維持しながら、ピストン式 内燃機関の種々の運転条件にほぼ最適であるような可変のビーム形を単一の噴射 ノズルにより調節することを可能にするような解決法が達成される。これらの種 々の運転条件は特に一方では冷態胎動期であり、他方では静的に全体が温まった エンジンによるエンジンの連続運転である。特に前記両運転状態に対して、それ ぞれ従属する運転期に最適であるような異なる二つの噴射ノズルを用いることが 考えられる。しかしただ一つだけの噴射ノズルを用いるようにすべきである。

冷態胎動期に関しては特に、それぞれエンジンの吸気行程で噴射される燃料が円 錐形ビームとして強く噴霧化されてシリンダ中に達し、それにより実際に空気と の所定どおりの燃料混合従って燃料燃焼が行われるような周囲条件を満たすべき である。

連続運転期にはすなわちすべてのエンジン部品の運転温度の場合には特に高温の 吸気バルブが存在し、この吸気バルブが著しく燃料微細分散又は気化のために遺 している。それに応じて噴射すべき燃料をほぼ糸状の又は僅かに広がる噴射ビー ムにより高温のバルブヘッド上に向けてバルブに衝突させることが一貫して通常 行われる。

この発明に関連して連続運転期には、噴射ノズルから直接に放出された比較的大 きい特に超音波により発生させられた噴射すべき燃料の噴霧を用いることは、場 合によっては必ずしも有利でないことが確かめられた。すなわちエンジンブロッ クの高い運転温度にもかかわらず、既に燃料がノズルから離れて細かく分散させ られた又は噴霧化された場合に、全く不利な状態が発生するということが観察さ れた。一方では限られた部分しか強（温められていない吸気管中で燃料小滴の分 離が行われ、そしてこの小滴が遅延して当を得ない時点で初めて再気化によりシ リンダ中へ到達するおそれがある。同様に吸気管中の空気柱振動により同様に、 ノズルの箇所から離れて飛散させられた燃料が所望の時点でそれぞれのシリンダ へ到達しないという状態を招くおそれがある。どの場合にも意図されたようにで きるだけ正確に配分すべき空燃比に関する望ましくない変動が生じる。

この発明によれば、相異なり制御可能に選択できるビーム形成の複数の形をもた らすことができるように、シリンダ当たり単一の燃料噴射ノズルが構成されてい る。すなわちこの制御可能性に基づきこの発明による燃料噴射ノズルにより、連 続運転に対しては糸状ビームを発生させることができ、そのバルブ上での衝突断 面はバルブヘッド表面の所定の部分に制限される。それにより燃料ができるだけ 損失なくバルブ上にそして更に直ちにかつ迂回せずにシリンダ中へ到達するとい うことが達成される。それにより配分された最適な空燃比を確実に維持すること ができる。高温のバルブヘッド上での燃料の気化に基づき、シリンダ中での燃焼 のために最適に細かく分散させられた燃料空気混合気が得られることが保証され る。

冷態胎動期にはこの発明に基づ（噴射ノズルは、良好な燃料微細分散が生じるよ うに制御される。この発明に基づく噴射ノズルによりエンジンのこの運転期に対 しては、円錐形ビームの形の成る広がりを有する噴射ビームが発生させられる。

この種の円錐形ビームは、ノズル開口から成る程度離れたところで初めて液体が ビームの形に初めて崩壊し、そのとき初めてしかし燃焼過程に対しては十分に早 （、噴射量の大部分が細か（分散した小滴となるという特性を有する。既に述べ たようにその際生じる距離は重要である。なぜならばそれにより、吸気バルブの すぐ前で初めて又は吸気バルブのところで全く初めて円錐形ビーム中のこの燃料 微細分散が行われ、小滴が例えば吸気管（従ってノズル開口と吸気バルブとの間 の範囲）の壁に付着することが防止される。この長所は特に組み込まれた超音波 液体噴霧装置を有するような公知の噴射ノズルの場合に生じる。燃料噴射ノズル は任意に吸気バルブに近づけて配置することができないということをまさに考慮 すべきである。

この発明によれば、僅かに高い費用をかけただけで冷態胎動期に対しても、超音 波燃料噴霧のために構成されているそれ自体公知の燃料噴射ノズルで期待される 以上に著しく有利な結果を達成することができる。すなわち超音波による実際に 定量的な燃料噴霧のための断続性のシリンダ選択的噴射の場合に、実際には少な くとも噴射ノズルの構造上の大きさを少な（とも考慮すれば全く供給できないよ うな大きい超音波エネルギーが必要となることが確かめられた。この発明に基づ く噴射ノズルは、ノズル開口の開閉のための速やかに応答しかつ速やかに作動す る駆動装置を有するように設計されている。この発明に基づく噴射ノズルが比例 駆動装置すなわちノズル開口の比例的な調節可能性を有する弁であることは、個 々の場合にしかも特にアイドリング運転時の条件を最適に満たすために有利とな る。すなわちそれにより、まさにアイドリンク運転時に考慮される非常に少ない 噴射過程当たりの噴射量の正確な配分が維持されるような、噴射ノズルの開度の 中間値を明確に調節することができる。

実際の使用状態では例えば４気筒又は６気筒エンジンに対する運転時サイクル周 波数、つまり噴射ノズルの弁部の開（ｔｌ）及び閉（１富）のためのサイクル周 波数が約５〜５０Ｈｚのところにある。この発明に基づく噴射ノズルの開閉の相 応に急傾斜の立ち上がり区間及び立ち下がり区間は、開閉のパルスのフーリエス ペクトルの上限として（相応の周期Ｔを有する）１ｋＨｚより著しく高い周波数 のところに来る。

この発明に基づ（噴射ノズルについての要求を中級乗用車に対する下記の例とし ての運転値により述べよう。

（吸気行程における）噴射ノズルの持続開放の際の燃料流量はシリンダ当たり約 ６ｇ／ｓである。これはほぼ全負荷運転に相応する。

この種のエンジンのアイドリンク時流量はシリンダ当たり約０．４ｍｇ／ｓであ る。このことから１０’のダイナミックレンジを克服しなければならないことが 明らかである。

この発明に基づ（噴射ノズルの特別の実施態様によれば、（弁としても構成され た）噴射ノズルの開閉に用いられる弁ニードル及び／又はノズルの開口断面がそ れ自体行程運動を行うことができる。電気的に調節可能な行程周期に関係して、 ビーム断面すなわち例えば糸状ビームから種々の開き角を備える円錐形ビームに 至るまでビーム形を変更することができる。この発明に基づく燃料噴射ノズルの 時間／励振又は開放線図を示す図１により説明する。この発明に基づく噴射ノズ ルは、特に比例駆動の場合にその部品の前記の速やかな応答に基づき、その行程 運動について周期的に電気的励振による機械的運動に追従することができる状態 にある。図１に示された変調は図２又は図３に示す実施例に関係する。

この行程運動のための励振周波数は５〜２０ｋＨｚの範囲にあるのが最適であり 、従って超音波噴霧器周波数よりはるかに低い。この選択は低圧装置（約３ｂａ ｒ）の噴射ノズル又は噴射弁に対してばかりでな（通常のノズル直径（０，３〜 １ｍｍ）を有する噴射ノズルに対しても成り立つ。

図２は、ノズルニードルの重畳された急速な交番行程運動を伴うこの発明に基づ く噴射ノズル１０の原理的構成を示す。

図３は、噴射ノズル２０の（弁）座の行程運動を伴う相応の実施例を示す。

図４，５は、それぞれ有効な噴射開口の変調装置を備えた噴射ノズル４０の実施 例の側面図及び正面図を示す。

図６は、この発明に基づ（噴射ノズルのための圧電セラミック式駆動装置を示す 。

図７は、磁気ひずみ式駆動装置を示す。

図８は、電流力式駆動装置を示す。

図９は、この発明に基づく噴射ノズルの全体構造を示す。

図２には弁ニードルとしても働くノズルニードル１１が示されている。ノズルニ ードルはノズル開口１３として図示の孔を有するノズル部品１２の中に置かれて いる。噴射ノズルが閉じられているときは、ノズルニードル１１の前端部がノズ ル開口１３を閉じる。符号１４によりノズルニードル１１の制御可能な運動性を 示唆する。噴射ノズルの開放状態では燃料１５がノズルニードル１１に沿ってノ ズル部品１２の内部をノズル開口１３へ流れ、特殊な形１５を有する円錐形の噴 射ビームを形成する。このビーム彫工５は、開位置にあるノズルニードル１１に 補助的な交番行程運動１４が重畳されていることにより生じる。符号１６は、ノ ズル開口１３を出発点として噴射された円錐形ビームがまだほとんど小滴に分散 していない範囲の既に述べた（ここでは更に短縮して示された）道程を示す。

このことはそのほかに、小滴が振動部分で生じこの部分から始まるような超音波 燃料噴霧との差を明らかに示す。

図３に関しては図２に対して述べた説明をほぼ参照できる。図２で既に用いた符 号は図３で同じ又は少なくとも同様の意味を有する０図３に示す実施例ではノズ ル開口１３を備えるノズル部品１２の交番行程運動が行われる。図３に示す実施 例では、はぼ図２に示す実施例のビーム形に相応するビーム形が生じる。

図４及び図５は、ノズル開口１３の範囲でノズル部品１２に取り付けられた補助 装置を示す。図５は図４の下側から見た図、すなわち噴出するビーム側から見た 図を示す０図４．５の本来の噴射ノズルのこの補助装置５１は、例えばそれぞれ それ自体行程運動を励振される四つの棒状延長部１５１から成る。この行程運動 は個々の矢印５４により示されている。この行程運動５４は部品１５１の曲げ運 動である。これらの部品１５１はノズル開口１３から流出する燃料ビーム４５の ための長手方向案内を形成する。このビーム方向に対し横方向の交番行程運動５ ４は符号５５で示されたビーム形をもたらす。

図６に示す駆動要素６は圧電的に励振可能な板６１の積層体から成る。これらの 板は図示されていない平らな電極を備える。この種の積層体はそれ自体原理的に 知られており、この実施例でも制御された電圧を供給される。特に望ましくは積 層体又は駆動装置６の行程運動の共振をもたらすような周波数を有する交流電圧 を供給される。

図７は磁気ひずみ式駆動装置の駆動要素７を示す。符号７１により磁気ひずみ運 動を励振される棒が示され、この棒は磁界コイル７２の内部に置かれている。

この磁界コイル７２は望ましくはここでも棒７１の固有振動による共振をもたら す周波数を有する電圧を供給され、共振は行程運動１１４の相応に大きい行程振 幅をもたらす。

図８には、その原理がダイナミックスピーカから知られているような可動コイル ８１及びつぼ形磁石８２を備える駆動装置８が示されている。この種の装置は相 応の電気的交番励振の際に機械的な行程運動１１４をもたらす。ここでも共振励 振を行うことができる。

図９はこの発明に基づく噴射ノズルの一実施例を示す。既に説明した図に対し述 べた説明は図９で同じ意味を有する。

符号９１によりアクチュエータ例えば圧電板から成る積層体が示されている。

接続線９２と９３との間に電圧を印加することによりこのアクチュエータはその 長さを変え、それにより棒９４及び棒９４に結合されたノズルニードル１１を駆 動する。アクチュエータ９１は弁ニードル１１の運動により弁の開閉のために用 いられる。符号９５により燃料のための噴射ノズルの流入口を示す。

符号９６によりこの発明に基づき構成された交番行程運動のための駆動装置がま とめて示されている。この駆動装置はこの実施例の場合には接続導線９８．９９ を有する複数の積層体９７を備える。接続線９８と９９の間にはこの行程運動の ための駆動交流電圧を印加することができる。圧電効果のために板積屠体９７の 長さが（交番）変化する際に、駆動装置９６のケース１００の相応の長さ変化が 生じる。図に示すように噴射ノズルの外側ケース１２が（封止されて）分割され ているので、このノズル部品１２は駆動装置９６の働きによりこの発明に基づ（ 交番行程運動を行い、しかもこの実施例の場合には開放状態で静止しているノズ ルニードルに対して行う。これは図３に関係して既に説明したこの発明の実施例 に相応する。

ＩＧ　１ ＦＩＧ　２ ＦＩＧ　３ ＦＩＧ　５ ＦＩＧ　６ 国際調査報告 国際調査報告　ＰＣＴ／ＤＥ　８９１００６１０

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. １．内燃機関での特に低圧噴射のための燃料噴射ノズルにおいて、ノズル孔（１ ３）とノルズニードル（１１）を備え、その際ノズル孔とノズルニードルとが一 緒に噴射ノズル（１０、２０、４０）を形成し、電気的入力値を有する駆動装置 と、噴射ノズルの噴射ビームの形成（１５、５５）域に設けられた噴射ノズルの 少なくとも一つの部品（１１、１２、５１）が噴射ノズル（１０、２０、４０） の開放状態に重畳された交番行程運動（１４、２４、５４）を行うための装置と を備え、その際この装置が電気的入力値により励振され、噴射ノズルの所定の最 小開放時間（ｔａｕｓ−ｔｓｉｎ）より数分の１小さいような交番行程運動（１ １４、１４、２４、５４）のための少なくとも一つの小さい周期（Ｔ）を利用で きるように構成されていることを特徴とする燃料噴射ノズル。
2. ２．励振周波数の周期（Ｔ）が５ｋＨｚないし２０ｋＨｚの間で相応に選択され ることを特徴とする請求項１又は２記載の噴射ノズル。
3. ３．ノズルの開放のために印加すべき作動電圧（Ｕｓｉｎ／ａｕｓ）に加えて、 交番行程運動（１４、２４）の励振のために別の交流電圧（Ｕ〜）が用いられる ことを特徴とする請求項１又は２記載の噴射ノズル。
4. ４．交番行程運動（１１４、１４、２４、５４）を実施する装置が共振系を形成 することを特徴とする請求項１ないし３の一つに記載の噴射ノズル。
5. ５．交番行程運動（１１４、１４、２４、５４）の励振装置はノズルニードル（ １１）がこの交番行程運動を行うように構成されていることを特徴とする請求項 １ないし４の一つに記載の噴射ノズル。
6. ６．交番行程運動（１１４、１４、２４、５４）の励振装置はノズル孔（１２、 １３）の部分がこの交番行程運動を行うように構成されていることを特徴とする 請求項１ないし４の一つに記載の噴射ノズル。
7. ７．縦方向の交番行程運動（１４、２４）が行われることを特徴とする請求項１ ないし６の一つに記載の噴射ノズル。
8. ８．横方向の交番行程運動（５４）が行われることを特徴とする請求項１ないし ６の一つに記載の噴射ノズル。
9. ９．この装置が圧電励振装置（６）を備えることを特徴とする請求項１ないし８ の一つに記載の噴射ノズル。
10. １０．この装置が均一な磁界を有する電流力式装置（８）を備えることを特徴と する請求項１ないし８の一つに記載の噴射ノズル。
11. １１．この装置が磁気ひずみ式装置（７）を備えることを特徴とする請求項１な いし８の一つに記載の噴射ノズル。
12. １２．この装置が電磁式装置（７、８）を備えることを特徴とする請求項１ない し８の一つに記載の噴射ノズル。
13. １３．ノズル（１０、２０、４０）の部品（１１、１２、５１）が５〜２０ｋＨ ｚの交番周波数を有する行程運動のために励振されることを特徴とする請求項１ ないし１２の一つに記載の噴射ノズルの運転。