JPH09100757A - 噴射ノズルおよびその制御方法 - Google Patents
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Abstract
た最小限量能力を備えるとともに予備噴射の直後に主噴
射を行うことを可能とする。 【解決手段】 アクチュエータピストン30を有して噴射
ノズルの閉じた状態で弁座に密着し、高圧導管と連結し
た弁座の上流側のノズルチャンバ28の範囲を定めるノズ
ル部材26と、供給絞り34を介して高圧導管と連結されて
アクチュエータピストン30が作動させられる作動チャン
バ32と、もどり弁36の還流開口部を通って作動チャンバ
32に導かれた還流管路14と、もどり弁36の弁素子38を電
気信号により操作する操作装置40とを備えた共同噴射方
式で使用する噴射ノズルであって、操作装置40が弁素子
38を電気信号に対応して調整し、もどり弁36の還流管路
14の断面積を可変にし、燃料噴射経過をそれぞれの運転
条件に最適に適合させる。
Description
通の管路を経て、各シリンダに燃料を分配する共同噴射
方式に用いられる噴射ノズルに関する。
式は、例えば第15回ウィーン エンジン・シンポジゥ
ムの報告書、VDI出版社シリーズ12 205(19
94年)、36〜63ページに記載されている。「共同
噴射方式」という概念は、一方では噴射圧力をエンジン
回転数と噴射量から独立させ、他方においては平均噴射
圧力を上昇させることを目標とする方式の総括である。
すなわち、共同噴射方式の著しい特徴は、圧力の発生
と、多シリンダエンジンの噴射ノズルと連結した共通の
高圧配分管路(共同)の体積ならびに供給管およびノズ
ル自体の中で用いられる体積から構成された蓄積された
体積による燃料噴射とを切り離すことである。
ノズルは、アクチュエータピストンを備えたノズル部材
を備えている。噴射ノズルが閉じた状態で、ノズル部材
は弁座に押し付けられており、上流側で高圧導管に連結
されたノズルチャンバの範囲を定めている。アクチュエ
ータピストンが作動する作動チャンバは供給絞りを介し
て高圧導管に連結されている。そして、作動チャンバの
圧力が作用するアクチュエータピストンの有効表面積
が、ノズルチャンバの圧力が作用するノズル部材の有効
表面積より大きくなるようになされている。還流管路は
もどり弁の還流開口部を介して作動チャンバを通過す
る。そして、制御装置は電気信号によりもどり弁の弁素
子を操作する。
バルブにより制御される。
制御は、従来電磁弁を用いても、また圧電式または磁気
ひずみ式のアクチュエータを用いても実現できなかっ
た。
磁性作動により二つの定められた位置を有しており、す
なわち閉鎖した位置と完全に開放した位置とである。も
どり弁の開放の際に、噴射ノズルが急激に開かないよう
に、もどり弁の下流に絞り弁が設けられている。絞り弁
への供給絞りの適切な調節により、噴射ノズルの時間的
特性が決定される。断面積が小さい絞り弁は、もどり弁
の開放時には、アクチュエータピストンを通じての緩慢
な圧力低下を招く。これは、予備噴射時における少量の
燃料噴射に適している。しかし、同時に小さい断面積
は、二つの連続する噴射の間に長い噴射間隔が必要なこ
とを意味する。これはもどり弁の開放と、アクチュエー
タピストンを通じての圧力低下との間に、比較的長い時
間が必要なためである。したがって小さい断面積の絞り
弁をもつシステムは、予備噴射と主噴射との遅延が大き
い場合に適している。
に完全に開放するため、予備噴射時の能力は劣ってい
る。しかし、ノズル部材すなわちノズルニードルが急速
に開放するため、より短い噴射間隔を可能とする。した
がって、大きい絞り弁直径は主噴射に適している。
噴射のための優れた少量の燃料の噴射能力と、予備噴射
に続いて素早く主噴射を行うこと、すなわち規則的に制
御された主噴射を可能とする、共同噴射方式で使用する
ための噴射ノズルを創り出すことにある。
必要条件にしたがって、燃料噴射を正確に制御すること
である。
用いて、高い噴射効率と、それによるよりよいエンジン
の運転を得ることにある。
を用いて、エンジンから排出される汚染廃棄物を減少さ
せることにある。
の噴射ノズルによれば、もどり弁の弁素子が電気信号に
対応して開き、もどり弁の絞り弁断面積を可変とするこ
とができるため、噴射ノズルは最適にそれぞれの必要条
件に適合することができる。
り弁の目的に沿った作動により、少ない燃料噴射量を必
要とする予備噴射に適応した優れた噴射特性および予備
噴射の直後に規則的に主噴射を行うことができる。した
がって、全体として優れた効率をえることができると同
時に、黒煙の発生や、窒素酸化物の発生が減少する。
操作装置が直接にノズル本体ではなく、もどり弁を作動
させるので、噴射ノズルを圧電アクチュエータの比較的
僅かなストロークで操作することができる。
て、もどり弁の有効開口面積が弁素子のストロークに比
例して変化するようにすればよい。そうすれば、噴射ノ
ズルの噴射特性を特に正確に制御できる。
流管路側に配置し、還流管路を弁素子により開閉自在に
すればよい。そうすれば、例えば平弁として構成された
もどり弁の弁素子が、その閉鎖位置に位置していると
き、すなわち噴射ノズルが閉鎖されているとき、アクチ
ュエータピストンが作動する作動チャンバの有効なシス
テム圧力に抗して、弁座に密着して保持される。
おり、弁室が連結管路により作動チャンバと連結され、
また還流開口部を通って還流管路に連結しており、操作
装置によって操作される弁素子のための操作素子が,還
流開口部を通って突出しており、また弁素子と協力して
働く弁座が、弁素子が弁座に密着する時、弁室から還流
管路への連結を閉じるように形成すればよい。
高いシステム圧力自体によって、弁座に密着して保持す
ることができ、これによって燃料消費が減少し、また運
転の安全性が拡大する。また、操作装置中に欠陥がある
場合、弁素子はシステム圧力により弁座にますます固く
密着し、これによって噴射弁は確実に閉じられたままと
なり、燃料は噴射されない。
えられていない状態で、弁素子が弁座に密着するようす
ればよい。または、弁素子を球状にすればよい。そうす
れば、簡単な構成で弁素子を弁座に密着して保持するこ
とができる。
初期段階において、もどり弁の操作装置のための電気信
号を、燃料の噴射量の少ない予備噴射のための低い値に
保った後、電気信号を噴射ノズルを閉鎖するための高い
値にし、その後、燃料の噴射量の多い主噴射のために、
電気信号を予備噴射時の電気信号の値より高い値にすれ
ばよい。この場合、主噴射が予備噴射の直後に行えるよ
うになる。
の初期の開放時に、もどり弁の操作装置のための電気信
号を、高い値に保ち、さらに、電気信号を、噴射ノズル
が開放している間、高い値に保ち、続いて噴射ノズルを
急速に閉鎖する準備のために、電気信号を低い値にすれ
ばよい。
じることができ、これは燃焼にとって有利である。
参照して説明する。
明による噴射ノズルの油圧装置図、図3は本発明による
噴射ノズルの前方部分の断面図、図4は本発明による噴
射ノズルを用いた噴射のストローク、圧力および噴射量
経過、図5は二つの制御方法のストローク経過、図6は
本発明による噴射ノズルの他の実施形態の油圧装置図、
図7は図6のどり弁の拡大図、図8は図6の噴射ノズル
の前方部分の断面を示す。
ー(図示せず)と予備搬送ポンプ(4) とを通じて共同噴
射用高圧ポンプ(6) と連結している。共同噴射用高圧ポ
ンプ(6) から導管が配分管路(8) に通じており、この配
分管路(8) は供給管(10)を通じて、多シリンダ燃焼機関
の各シリンダに帰属する噴射ノズル(12)と連結してい
る。
いる帰還管路(16)に、帰還管路(14)により連結されてい
る。
れ、システム圧力は2000バールまで上げることがで
きる。
プ(6) ならびに噴射ノズル(12)と連結されている。制御
装置(20)の入力部(22)は、配分管路(8) に設けられた圧
力センサー(24)、および図示されていないその他のセン
サー、例えばアクセルペダルの位置、走行速度、温度、
吸気圧、空気質量、回転数などのためのセンサーに連結
されている。
燃料回路との概略構成を示している。
ドルとなされているノズル部材(26)を備えており、ノズ
ルニードルは噴射ノズル(12)の閉鎖状態で弁座に密接し
ている。ノズル部材(26)は、供給管(10)と連結されてい
るノズルチャンバ(28)を貫通している。
(30)と結合するか、あるいは一体として構成されてお
り、アクチュエータピストン(30)は、作動チャンバ(32)
内で作動するようになされている。作動チャンバ(32)は
供給絞り(34)を介して供給管(10)と連結している。作動
チャンバ(32)はさらにもどり弁(36)を通じて帰還管路(1
4)と連結している。
(38)は、圧電アクチュエータからなる操作装置(40)に連
結されており、この装置(40)はその接続部(42)を通じて
制御装置(20)に接続されている。
は既知であり、圧電アクチュエータの誘電体は圧電物
質、例えば鉛−ジルコン酸塩−チタン酸塩−セラミック
からなっている。最新の圧電物質は2000V/mmま
での電界強さで作動し、1.5%までの相対的長さ変化
に達する。図示した例では約100mmの長さの圧電ア
クチュエータにより、0.1mm以上の指定されたスト
ロークを達成することができ、これは接続部(42)にかか
る電圧に依存して、もどり弁(36)の開放断面積の変化に
対応するには充分である。
流するコイルの内部に磁性物質が配置されている磁性ア
クチュエータを用いることもできる。
を示し、この場合ノズルニードルの構造とその弁座との
共作用それ自体は既知であり、例えばボッシュ社編自動
車技術ポケットブック、VDI出版、1991年、50
9ページに記載されている。
力が作用するアクチュエータピストン(30)の有効表面積
が、ノズルチャンバ(28)内の圧力が作用するノズル部材
(26)の有効表面積より大きく、したがって作動チャンバ
(32)内の圧力とノズルチャンバ(28)内の圧力が同じ場
合、ノズル部材(26)が閉鎖位置へと押しやられることで
ある。
合、作動チャンバ(32)とノズルチャンバ(28)の中に、供
給管(10)を介してノズル部材(26)を噴射ノズル(12)の閉
鎖位置へと押しやる圧力が得られる。この圧力がノズル
部材(26)を閉鎖位置へと押しやる。操作装置(40)に電圧
が与えられてもどり弁(36)の弁素子(38)が開くと、作動
チャンバ(32)の圧力が低下する。もどり弁(36)が充分広
く開口すると、供給絞り(34)を介して燃料が噴射ノズル
(12)に向かうより早く作動チャンバ(32)の圧力が低下
し、ノズルチャンバ(28)の圧力が低下してノズルが開
く。もどり弁(36)が閉じると、作動チャンバ(32)に再び
高い圧力が生じるため、噴射ノズル(12)が閉じる。
に応じて圧力センサー(24)によって捕捉し、制御装置(2
0)により、高圧ポンプ(6) を操作することによりに制
御、変化させることができる。
続部(20)での電圧に比例する)を示し、小さい方のスト
ロークは0.03mm、また大きい方のストロークは
0.06mmに達する。曲線IIはノズル部材(26)すな
わちノズルニードルのストロークhn、曲線IIIはノ
ズルチャンバ(28)内の圧力pi、曲線IVは作動チャン
バ(32)内の圧力pa、曲線Vは噴射率SR、すなわち噴
射ノズル(12)から噴射される燃料の体積流、曲線VIは
総噴射量Qeを示す。
0mm、もどり弁(36)(図3)の穿孔直径は0.7mm
であった。
射ノズル(12)の開放すなわちノズル部材(26)のストロー
クは、もどり弁(36)の弁素子(38)の小さいストロークに
大きい遅延をもって従うため、おだやかな予備噴射が保
証される。予備噴射は、操作装置(40)の電圧付加終了す
なわちもどり弁(36)の閉鎖の直後に終了する。したがっ
て燃料噴射の優れた最小限量能力が得られ、弁素子(38)
の小さいストロークにより、もどり弁(36)は小さい絞り
弁のような働きをする。もどり弁(36)が操作装置(40)の
より強い電圧付加によってさらに開かれると、はるかに
大きい断面積をもつ絞りとして働くもどり弁(36)の開放
にしたがって、非常に小さな遅延をともなって噴射ノズ
ル(12)が開く。もどり弁(36)の閉鎖の後に、噴射弁の閉
鎖と主噴射の終了が大きな遅延をともなって行われる。
これは燃料の流れが供給絞り(34)を通る限りにおいて、
作動チャンバ(32)内の燃料圧力が先に上昇するからであ
る。
曲線IとIIに対応する。図5に明らかに示されたよう
に、ノズル部材(26)がほぼ正確に最大ストロークに達す
ると直ちにノズル部材(26)が再び閉じるようにもどり弁
(36)が操作される限りにおいて、主噴射は周期的形状で
発生する。
もどり弁(36)がある時は一定の振幅で開放され(I
b)、またある時は噴射ノズル(12)の開放が始まるか、
またはノズル部材(26)がほとんどその座から浮き上がる
と直ちに、もどり弁(36)の開放振幅が減少した値に設定
されるような、主噴射のサイクルの比較を示している。
見て取れるように、Icによるもどり弁の制御は、もど
り弁(36)の閉鎖後、噴射ノズル(12)は急速に閉鎖する。
これは噴射ノズル(12)により燃料が供給されるエンジン
の燃焼過程の観点から有利である。
燃料回路の図を示し、この場合、機能的に同じ部分には
同じ参照番号を使用してある。図2との著しい相違は、
上記の例では弁素子(38)がもどり弁(36)の下流側に配置
されており、したがって図2の実施形態では、弁を閉じ
るために、高いシステム圧力に抗して閉鎖位置へと常に
押しやられなければならないのに対して、図6による実
施例では、弁素子(38)が流れ方向における弁座の前に配
置されていることにある。
す。
開口部と、還流開口部(46)とを備え、弁室(44)が空間(4
8)に連通し、この空間(48)から還流管(14)が分岐してい
る。還流開口部(46)は、その縁が、球状の弁素子(38)と
当接する弁座(50)を形成している。弁素子(38)はばね(5
4)によって弁座(50)に押し付けられる。弁素子(38)の操
作のために、空間(48)と還流開口部(46)を貫通して、操
作装置(40)と連結した操作素子(56)が突出して設けられ
ている。図7に示したように、操作素子(56)は空間(48)
を気密に貫通し、下流側から還流管(14)が分岐してい
る。
面図を示し、ノズルニードルの構造と弁座との共作用は
それ自体は既知であり、例えばボッシュ社自動車技術ポ
ケットブック、VDI出版社、1991年、509ペー
ジに記載されている。
は、別のケーシング部分(62)とねじ固定してある。操作
素子(56)を備えた操作装置(40)がケーシング部分(62)の
内周部に収容されている。この操作素子(56)はパッキン
(64)によって操作装置(40)に対して密閉されており、フ
ランジを用いてバネに対抗する働きをしている。また、
ケーシング部分(62)にも供給管(10)が構成されている。
2)との間に、別の二つのケーシング本体(68)(70)が固定
されている。他方のケーシング本体(70)に設けられた供
給絞り(34)と連通したケーシング本体(68)の中でアクチ
ュエータピストン(30)が作動する。さらにケーシング本
体(70)は多段の貫通孔を備えており、これは連結管(3
5)、弁室(44)、還流開口部(46)(図7)と弁座(50)、空
間(48)(図7)を形成しており、その空間(48)から還流
管(14)が分岐している。操作素子(56)はケーシング本体
(70)の貫通孔の上端に構成された空間(48)に突出してい
る。空間(48)は突起(72)を備えている。突起(72)は空間
より小さな直径を備えているか、またはその外周面に溝
が形成されている。この突起(72)が図7に示された還流
開口部(46)を通って弁素子(38)を操作する。帰還管路(1
4)は、図8の上端に示されているハウジング本体(70)の
貫通孔の拡大した穿孔段により形成されているリング状
空間すなわちチャンバから分岐している。
態において、操作素子(56)は、ばね(54)によって弁座(5
0)に密着するように押し付けられた弁素子(38)と噛み合
わないように、還流管路開口部(46)の中へ突出してい
る。供給管(10)の中にシステム圧力が構成されると、弁
素子(38)はシステム圧力によってさらに弁座(50)に密着
して押し付けられるため、もどり弁(36)は確実に閉鎖さ
れ、したがって噴射ノズル(12)も確実に閉鎖される。
子(38)は操作素子(56)によってシステム圧力とバネ力に
抗して、弁座(50)から持ち上げられ、これにともなって
作動チャンバ中の圧力が低下し、噴射弁は燃料を噴射す
る。この噴射過程は、先に詳細に述べた通り、正確に制
御することができる。操作素子(56)の案内を空間(48)に
対して密閉するパッキン(64)には、高い必要条件は課せ
られていないが、これはこのパッキン(64)がいかなる状
態でも高いシステム圧力を受けることがないためであ
る。
操作方法は、図6に示した噴射ノズルの実施形態におい
て、特に有利に実施できることは明らかである。
回路図である。
る。
力、および総噴射量の関係を示した図である。
ストローク、圧力、および総噴射量の関係を示した図で
ある。
の燃料回路図である。
Claims (9)
- 【請求項1】 共同噴射方式で使用するための噴射ノズ
ルであって、 アクチュエータピストン(30)を有して噴射ノズルの閉じ
た状態で弁座に密着するとともに、高圧導管と連結した
弁座の上流側のノズルチャンバ(28)の範囲を定めるノズ
ル部材(26)と、 供給絞り(34)を介して高圧導管と連結されてアクチュエ
ータピストン(30)が作動させられる作動チャンバ(32)
と、 もどり弁(36)の還流開口部を通って作動チャンバ(32)に
導かれた還流管路(14)と、 もどり弁の弁素子(38)を電気信号により操作する操作装
置(40)とを備え、 作動チャンバ(32)内の圧力が作用するアクチュエータピ
ストン(30)の有効表面積が、ノズルチャンバ(28)内の圧
力が作用するノズル部材(26)の有効表面積より大きく、 操作装置(40)が電気信号により弁素子(38)を調整しても
どり弁(36)の還流開口部の断面積を変化させることを特
徴とする噴射ノズル。 - 【請求項2】 操作装置(40)が圧電操作されることを特
徴とする請求項1記載の噴射ノズル。 - 【請求項3】 少なくとももどり弁(36)の開口の初期時
において、もどり弁(36)の有効開口面積が弁素子(38)の
ストロークに比例して変化することを特徴とする請求項
1または2記載の噴射ノズル。 - 【請求項4】 もどり弁(36)の弁素子(38)が、もどり弁
(36)の開放側の還流管路(14)に配置され、還流管路(14)
が弁素子(38)により開閉自在になされていることを特徴
とする請求項1、2または3記載の噴射ノズル。 - 【請求項5】 弁素子(38)がもどり弁(36)の弁室(44)の
中に配置されており、弁室(44)が連結管路(35)により作
動チャンバ(32)と連結され、また還流開口部(46)を通っ
て還流管路(14)に連結しており、操作装置(40)によって
操作される弁素子(38)のための操作素子(56)が,還流開
口部(46)を通って突出しており、弁素子(38)と協力して
働く弁座(50)が、弁素子(38)が弁座(50)に密着する時、
弁室(44)から還流管路(14)への連結を閉じるように形成
されていることとを特徴とする請求項1、2または3記
載の噴射ノズル。 - 【請求項6】 操作装置(40)の圧電アクチュエータに電
圧が加えられていない状態で、弁素子(38)が弁座(50)に
密着するようになされていることを特徴とする請求項5
記載の噴射ノズル。 - 【請求項7】 弁素子(38)が球状であることを特徴とす
る請求項5または6記載の噴射ノズル。 - 【請求項8】 請求項1から7までのうちいずれか一つ
の請求項に記載されたノズルを用いた直接噴射式ディー
ゼルエンジンの多段噴射の制御方法であって、 もどり弁(36)の操作装置(40)のための電気信号を、燃料
の噴射量の少ない予備噴射のための低い値にした後、 電気信号を切って噴射ノズルを閉鎖した後、 燃料の噴射量の多い主噴射のために、前記電気信号を高
い値にすることを特徴とするディーゼルエンジンの多段
噴射を制御する方法。 - 【請求項9】 請求項1から7までのうちいずれか一つ
の請求項に記載されたノズルを用いた直接噴射式ディー
ゼルエンジンの多段噴射の制御方法であって、 噴射ノズルの初期の開放時に、もどり弁(36)の操作装置
(40)のための電気信号を、高い値に保ち、 噴射ノズルが開放している間、電気信号を高い値に保
ち、 続いて噴射ノズルを急速に閉鎖する準備のために、電気
信号を低い値に保つことを特徴とするディーゼルエンジ
ンの多段噴射を制御する方法。
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