(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ノズル本体（１）と該ノズル本体（１）の穴（２）内を閉鎖力に抗して軸方向に移動できるニードル弁（３）を有し、該ニードル弁（３）がその燃焼室側端面に弁体密封面（４）を有し、内燃機関の燃焼室への少なくとも１個の噴射開口（５）における貫流横断面積を制御するために、弁体密封面（４）がノズル本体（１）の弁座面（６）と協働する、内燃機関の燃料噴射ノズルの最適化方法において、
燃料噴射ノズルの幾何学的形成のために、任意の数の独立パラメータを利用して、パーティクル  スウォーム  オプティマイゼイションすなわち粒子群最適化（ＰＳＯ）の数学的方法が利用され、最良として求められた基準が、燃料噴射ノズルの構造的形状に反映され、この数学的方法（ＰＳＯ）が、
１．例示として必要なノズルを通って流れる噴射流体の体積流量およびノズルの流体圧力に関与する幾何学的形状が挙げられ得る、前記燃料噴射ノズルにおける幾何学的形状に対する、所定の周辺条件すなわちノズル形式およびノズル大きさを決定するステップと、
２．例示としてノズル本体の盲穴における最大圧力、盲穴容積あるいは最小ノズルニードル弁座角が挙げられ得る、前記燃料噴射ノズルにおける任意の数の独立パラメータに関して目的関数（ｘ）の目的量の形で技術的要件すなわち最適化すべき物理量の大きさを把握するステップと、
３．例示としてノズルニードル弁座角、ノズルニードル弁座下部直径、ノズル尖端角、噴射角あるいはノズルニードル弁行程が挙げられ得る、前記燃料噴射ノズルにおける目的量の定義から、前記技術的要件の独立パラメータを導出するステップと、
４．所定の数値幅の形でパラメータ限度を決定するステップと、
５．前記目的関数において前記目的量を数学的に重みづけする過程を含んでいるステップと
を有することを特徴とする、内燃機関の燃料噴射ノズルの最適化方法。
【請求項２】
最適化すべき噴射ノズルが孔式ノズルであり、ノズル本体（１）の穴（２）内を閉鎖力に抗して軸方向に移動可能に案内されたニードル弁（３）と、盲穴（２）を燃焼室に対して閉鎖するノズルドーム（７）とを備え、前記ニードル弁（３）がその燃焼室側端面に弁体密封面（４）を有し、該弁体密封面（４）が盲穴（２）の円錐状弁座面（６）と協働し、前記ノズルドーム（７）から複数の噴射開口（５）が内燃機関の燃焼室に向けて出ている
ことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
請求項２記載の方法において、
・  決定された前記パラメータ限度の値は、前記数値幅に含まれる値として局所的な最適値のみならず離散値をも包含し、
・  全ての前記技術的要件が規格化して前記目的関数に取り入れられ、並びに、ａ）ノズルニードル弁尖端と盲穴（２）の穴底との距離が最小値を下回ってはならない、ｂ）ノズルニードル弁座の幅が最小値を下回ってはならない、ｃ）ノズル孔（５）間の壁厚が最小値を下回ってはならない、ｄ）ニードル弁最大行程時に盲穴入口における貫流断面積がノズルニードル弁座下縁における貫流断面積より大きくなければならない、ｅ）弁座半角（δ／２）と盲穴角（ε）との差が決定すべき値を下回ってはならない、ｆ）盲穴角（ε）がノズルニードル尖端半角（α／２）より小さくなければならない、ｇ）盲穴内部におけるノズル孔の上縁と盲穴入口縁との距離が決定すべき値を下回ってはならない、ｈ）ノズルニードル尖端角（α）が弁座角（σ）より大きいかそれと同じでなければならない、ｉ）ノズルニードル弁座下部直径（ＤＡ）が盲穴直径（ＤＥ）より大きいかそれと同じでなければならない、という条件のうちの少なくとも１つの条件を有する
ことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特許請求の範囲の請求項１の前文に記載の内燃機関の燃料噴射ノズルの最適化方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料噴射ノズルは、公知のように、ノズル本体とこのノズル本体の穴内を閉鎖力に抗して軸方向に移動できるノズルニードル弁から成り、このノズルニードル弁はその燃焼室側端面に弁体密封面を有し、内燃機関の燃焼室への少なくとも１個の噴射開口における貫流横断面積を制御するために、その弁体密封面がノズル本体の弁座面と協働する。燃料噴射ノズルはノズル保持体に組み込まれ、ノズル保持体の上端に公知のように燃料噴射配管が接続されている。燃料がノズル本体の内部の圧力室においてニードル弁の傾斜肩部に作用し、一般に液圧式あるいはばね力により発生された閉鎖力に抗してノズルニードル弁を開く。
【０００３】
通常の燃料噴射ノズルは例えば特許文献１で知られているようないわゆる孔式ノズルであり、この孔式ノズルはエンジンに好適に直接噴射する形で組み込まれている。ノズル本体に盲穴の形態で穴が形成された孔式ノズルは、通常、ノズルドームに１２個以上の孔が設けられている。孔式ノズルの最終的形成は一般にエンジン実験で決定される。その場合、例えば孔数、孔直径、孔長、孔間の角度、シリンダ軸線に対する孔の角度に関する種々のノズル変更が、出力、燃料消費率並びに有害物発生などへの影響について検査されねばならない。
【０００４】
燃料噴射ノズルの形成はエンジン燃焼に決定的影響を与える。孔式ノズルにおいて噴射流の形成にとって、特にノズル孔の数、直径、位置および幾何学的形成並びに盲穴内の高圧が重要である。特に盲穴容積の増大につれて、炭化水素（ＨＣ）と粒子（例えばすす）の発生および燃料消費が増大する。また、過大な盲穴容積がエンジン潤滑油の激しい汚染を生じさせ、シリンダ案内面に激しい摩耗を生じさせることも知られている。
【０００５】
さらに燃料噴射ノズルは、機械的、熱的および液圧的に大きく負荷される。従って、例えばノズルドームおよびニードル弁座における機能的要件のために、部品強度についての構造的基準が守られねばならない。
【０００６】
燃料噴射弁の設計に対する数学的方法は既に知られ、その場合、幾何学的形状は可変空間内における例えば上述の種々のパラメータから成る目的関数（ｘ）の形の系統（システム）を有し、その可変空間において、目的関数値が複数の計算過程によって繰り返し計算的に得られ、その場合、各計算過程において、目的関数（ｘ）に関し確率微分方程式に基づく確率量の展開が計算される。この数学的方法で得られた最良の目的関数値およびそのパラメータが、燃料噴射ノズルの設計のために利用される。
【０００７】
かかる逐次アプローチ法は、相互関係が非常に複雑であるため、しばしば目的に合わない。
【特許文献１】独国特許出願公開第１９８４１１９２号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の課題は、内燃機関の燃料噴射ノズルの形状が少なくとも有害物発生の減少、摩耗挙動の改善および燃料消費の減少に関して最適化される、内燃機関の燃料噴射ノズルの最適化方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この課題は、請求項１に記載の内燃機関の燃料噴射ノズルの最適化方法によって解決される。
【００１０】
本発明は、あらゆる様式の燃料噴射ノズルをその都度の要件および周辺条件に関して最適化することができる、全く新しい燃料噴射ノズルの最適化方法を提示する。
【００１１】
単列孔式（図１）あるいは複列孔式（図２）の多数の噴射開口を備えた特殊な多孔式ノズルが各実施例において考慮されている。
【００１２】
実行されたアルゴリズムは、本件出願人が開発した多重基準バージョンのパーティクル  スウォーム  オプティマイゼイション  アルゴリズム（Particle Swarm Optimization＝粒子群最適化計算法）である。パーティクル  スウォーム・アルゴリズムは、人口知能分野から開発された自然界類似の確率最適化法である。このアルゴリズムは、スウォ―ム（群れ）における鳥のように探査空間内の運動時に相互に影響を及ぼすパーティクル（粒）の母集団（可能な解としてのパラメータセット）を基礎としている（参照：１９９５年、ニュートラル  ネットワークにおけるＩＥＥＥ国際会議、第１９４２頁〜第１９４８頁に掲載のＪ．ケネディ、Ｒ．エバーハート共著の論文"パーティクル  スウォーム  オプティマイゼイション  プロセス（Particle Swarm Optimization Process）"）。
【発明の効果】
【００１３】
パーティクル  スウォーム  オプティマイゼイション（ＰＳＯ）の目的は、全般的に、調査関数、即ち、目的関数（ｘ）の最適点を見出すことにあり、その最適点は定義に対応して最大値あるいは最小値を提示することができる。しかし、（一般に冒頭に述べた形式の数値方法の場合のように）或る局所的な最適点ではなく、全探査空間、即ち、解析空間の広域的最適点が見出される。
【００１４】
ＰＳＯのパラメータ（粒子）は計算のはじめにランダムに、および／又は確定して全解析空間にわたり分布され、従って、このパラメータは可変空間における相応の位置を有する。初期化のために粒子にランダムな、および／又は確定した速度ベクトルも割り当てられる。
【００１５】
最適化アルゴリズムの次の過程に対して、各粒子は特に近傍にある粒子の状態およびそのそれまでの最良の位置に位置づけられる。個々の各粒子の個別の最良解から、比較操作によって群の最良解が選択される。そのようにして、群は全体として最良に位置された粒子の方向に倣うことになる。
【００１６】
解析空間における粒子の位置づけは、基準数／独立パラメータ／目的関数（ｘ）での未知数の数に応じてｎ次元である。
【００１７】
目的関数は、その中で固有の重みを有する複数の目的量が統合されるように公式化される。これは品質関数と呼ばれる。目的量は、例えば燃料噴射ノズルにおける最小にすべき盲穴容積のような数学的に把握できる具体的要件に相当し、その最小にすべき盲穴容積は、幾何学的パラメータと関数関係を有する。
【００１８】
この最適化アルゴリズムが、非常に迅速であり、目的に合っており、従って非常に有効であることが分かっている。
【００１９】
他の利点は、パーティクル  スウォーム  オプティマイゼイションが導関数を利用しないので、ほぼ任意のそれ自体不連続の関数にも利用できることにある。即ち、これは非常に安定である。
【００２０】
要約すれば、ＰＳＯは頑丈で迅速な最適化方法であり、この方法は、ほぼ任意の多次元数学関数において広域的最適点を見出す働きをする。重みを付けられた目的量を有する品質関数の公式化によって、多重基準数式が求められる。
【００２１】
そのアルゴリズムはその挙動に影響を及ぼす一連の設定量を必要とする。これらの設定量は従来の経験値を基礎として決定される。
【００２２】
本発明の有利な実施態様は従属請求項の記載および以下の説明から理解できる。以下図を参照して本発明の実施例を詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
本発明は、ノズル本体（１）とこのノズル本体（１）の穴（２）内を閉鎖力に抗して軸方向に移動できるノズルニードル弁（３）から成り、ノズルニードル弁（３）がその燃焼室側端面に弁体密封面（４）を有し、内燃機関の燃焼室への少なくとも１個の噴射開口（５）における貫流横断面積を制御するために、弁体密封面（４）がノズル本体（１）の弁座面（６）と協働する、内燃機関の燃料噴射ノズルの最適化方法に関し、本発明に基づいて、ノズルの幾何学的形成のために、独立パラメータの任意選択を利用して、パーティクル  スウォーム  オプティマイゼイション（ＰＳＯ）の数学的方法が利用され、最良として求められた基準が、燃料噴射ノズルの構造的形状に反映される。
【００２４】
特に有利な様式において、ＰＳＯによる上述の最適化方法は次の過程を含んでいる。即ち、
−  例えば必要なノズル貫流およびノズルの圧力段のような幾何学的形状に対する所定の周辺条件（ノズル形式およびノズル大きさ）を決定する。
−  例えばノズル本体の穴（盲穴）における最大圧力、盲穴容積あるいは最小ノズルニードル弁座角のような任意の数の独立パラメータに関して、目的関数（ｘ）の目的量の形で技術的要件（最適化すべき大きさ）を把握する。
−  例えばノズルニードル弁座角、ノズルニードル弁座下部直径、ノズル尖端角、噴射角あるいはノズルニードル弁行程のような目的量の定義から、技術的要件の独立パラメータ（自由度）を導出する。
−  所定の数値幅の形でパラメータ限度を決定する。
−  品質関数において技術的要件の目的量を数学的に重みづけする。
【００２５】
品質関数は、幾何学形状、液圧、メカニズムなどから生じる要件の数学的公式化から得られる。
【実施例１】
【００２６】
図１は本発明に基づく方法の第１実施例を示している。この場合、最適化すべき噴射ノズルは孔式ノズルであり、ノズル本体（１）の穴（２）内を閉鎖力に抗して軸方向に移動可能に案内されたニードル弁（３）と、盲穴（２）を燃焼室に対して閉鎖するノズルドーム（７）とを備え、前記ニードル弁（３）はその燃焼室側端面に弁体密封面（４）を有し、この弁体密封面（４）が盲穴（２）の円錐状弁座面（６）と協働し、前記ノズルドーム（７）から複数の噴射開口（５）が内燃機関の燃焼室に向けて出ている。
【００２７】
図１および図２において次の点を明らかにさせておく。即ち、
・  所定の周辺条件として、ノズル形式、ノズル大きさおよび用途に関連した他の限定を表現し自由に設定できるような周辺条件が与えられる。
・  技術的要件として、ａ）盲穴における最大圧力（それにより生ずる最良混合気形成）、ｂ）最小の盲穴容積（これにより生ずるすす発生とＨＣ発生並びに燃料消費の減少）、ｃ）ノズル孔（５）間の最小壁厚（必要な強度のため）、ｄ）最小ノズルニードル弁座角（ノズルニードル弁座の摩耗のため）、ｅ）盲穴（２）における噴射開口（５）のできるだけ深い位置（流体力学的要件のため）、のうちの少なくとも１個、複数あるいは全部の大きさが把握される。
・  独立パラメータとして、ａ）ノズルニードル弁（３）の弁座角（σ）、ｂ）ノズルニードル尖端角（α）、ｃ）ニードル弁行程（ｈ）、ｄ）ノズル孔直径（ＤＬ）、ｅ）盲穴直径（ＤＥ）、ｆ）ノズルニードル弁座下部直径（ＤＡ）、ｇ）盲穴角（ε）、ｈ）噴射角（κ）、ｉ）噴射開口の噴出点（ｈＳＰ）、ｋ）盲穴深さ（ｈＳ）、ｌ）ノズル孔数、ｍ）ノズル孔直径（ＤＬ）、のうちの少なくとも１個、複数あるいは全部の大きさが与えられる。
・  決定されたパラメータ限界値が数値幅あるいは離散値を包含する。
・  全技術的要件（上記参照）が規格化して品質関数に取り入れられ、並びに、ａ）ノズルニードル弁尖端と盲穴（２）の穴底との距離が最小値を下回ってはならない、ｂ）ノズルニードル弁座の幅が最小値を下回ってはならない、ｃ）ノズル孔（５）間の壁厚が最小値を下回ってはならない、ｄ）ニードル弁最大行程時に盲穴入口における貫流断面積がノズルニードル弁座下縁における貫流断面積より大きくなければならない、ｅ）弁座半角（δ／２）と盲穴角（ε）との差が決定すべき値を下回ってはならない、ｆ）盲穴角（ε）がノズルニードル尖端半角（α／２）より小さくなければならない、ｇ）盲穴内部におけるノズル孔の上縁と盲穴入口縁との距離が決定すべき値を下回ってはならない、ｈ）ノズルニードル尖端角（α）が弁座角（σ）より大きいかそれと同じでなければならない、ｉ）ノズルニードル弁座下部直径（ＤＡ）が盲穴直径（ＤＥ）より大きいかそれと同じでなければならない、という条件のうちの少なくとも１個の条件を有する。
【００２８】
即ち、本発明に基づく方法は、燃料噴射ノズルの最良パラメータを同時に導出する数学的最適化アルゴリズムによる品質関数の最小化を含んでいる。
【００２９】
本発明に基づいて最適化された図示された実施例は、図１の例において単列孔の孔式ノズルを示し、図２において複列孔のノズル孔を示し、これらの実施例は以下のような最適化されたパラメータを有している。即ち、約８４°のノズルニードル弁座角（σ）、約１００°のノズルニードル尖端角（α）、約０．５ｍｍのノズルニードル弁行程、約０．４ｍｍのノズル孔直径（ＤＬ）、約３ｍｍの盲穴直径（ＤＥ）、約３．５ｍｍのノズルニードル弁座下部直径（ＤＡ）、ノズルニードル弁軸線に関する０°の盲穴角（ε）、約７５°の噴射角（κ）、約０．３ｍｍの盲穴深さ（ｈＳ）、約０．１ｍｍの噴出点（ｈＳＰ）、およびノズル孔数＝１３個のパラメータを有している。
【００３０】
技術的要件の実施された重みに応じて最適化されたノズルによって、従来のノズルに比べて次の改善が得られた。即ち、盲穴圧力が約１０％増大され、盲穴容積が約６０％、ノズル孔間の壁厚が約７％それぞれ減少できた。
【００３１】
そのように開発された燃料噴射ノズルは、公式化された要件に関して、技術的要件についてしばしば対向的パラメータの最適値を呈する。これにより、図示された燃料噴射ノズルが装備された内燃機関が、最少の有害物発生、僅かな摩耗、並びに最少の燃料消費の点で優れている、ことが保証される。同時に、図示された燃料噴射ノズルの開発過程は、目的に合わされ、従って、迅速且つ確実となる。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
図示された最適化方法は、全般的に、数学的に決定されるすべての高次元の最適化目的に適している。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明に基づいて最適化された燃料噴射ノズル即ち孔式ノズルの断面図。
【図２】ノズルドームに円形に延びる複数列ここでは二列の噴射開口を備えた本発明に基づいて最適化された孔式ノズルの断面図。
【符号の説明】
【００３４】
１    ノズル本体
２    穴（盲穴）
３    ノズルニードル弁
４    弁体密封面
５    噴射開口（ノズル孔）
６    弁座面
７    ノズルドーム
ＤＬ    ノズル孔直径
ＤＥ    盲穴直径
ＤＡ    ノズルニードル弁座下部直径
κ    噴射角
ｈ    ノズルニードル弁行程
σ    弁座角
α    ノズルニードル尖端角
ε    盲穴角（噴射ノズル軸線に関する）
ｈＳ    盲穴深さ
ｈＳＰ  噴出点
ｎ    ノズル孔数
【図１】
0005438890.tif 000002
【図２】
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