(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
噴射用ニードルが設けられる燃料噴射装置本体を備えるピストンエンジン用の燃料噴射装置であって、前記噴射用ニードルは、噴射用ニードルの位置に基づいて噴射装置からの燃料噴射流を阻止又は可能とするように設けられ、
前記噴射用ニードルの位置は、制御スペース内の加圧制御流体によって制御され、前記燃料噴射装置本体は、前記噴射用ニードルが内部に設けられるインジェクタースペースを有し、前記インジェクタースペースには燃料入口孔と前記噴射用ニードルの制御の下で燃料が噴射される、前記インジェクタースペースの第１の端部の燃料噴射噴霧孔オリフィスが設けられ、
前記噴射用ニードルの第２の端部が制御スペースを区画するように設けられ、前記制御スペースは、少なくとも前記噴射用ニードルの上端部を囲むカラー部によって区画されており、
前記制御スペースは、加圧流体源に連結される連通路と、燃料噴射システムの低圧側に連結される出口流路と、前記カラー部と前記噴射用ニードルの対向する面の間のギャップによって形成され、少なくとも二つの協働する温度効果部材を有する制限区域を有する制御流体用の通路に連結され、
前記温度効果部材のうちの第１の部材は第２の部材と異なる熱膨張係数を持つことを特徴とする、
燃料噴射装置。
【請求項２】
前記第１の部材はセラミックであり、前記第２の部材はスチールである請求項１に記載の燃料噴射装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の燃料噴射装置を有することを特徴とするコモンレール燃料噴射システムを持つピストンエンジン。
【請求項４】
前記ピストンエンジンは前記燃料噴射装置の近傍に設けられた冷却システムを有することを特徴とする請求項３に記載のピストンエンジン。
【請求項５】
前記ピストンエンジンは燃料噴射装置本体の近傍に設けられた冷却システムを有することを特徴とする請求項４に記載のピストンエンジン。
【請求項６】
コモンレール燃料噴射システムを備え、噴射用ニードルが設けられる請求項１に記載の燃料噴射装置を有するピストンエンジンの運転方法であって、エンジン始動後に少なくとも一の予め定められた物質の排出量がエンジンの排ガスから測定されるように、前記ピストンエンジンが駆動され、少なくとも前記エンジンが通常の運転温度に達するまで、前記噴射用ニードルの位置に影響を及ぼす制御流体の流れに対して温度依存効果を与える少なくとも一つの温度効果部材を制御するために、前記エンジンの冷却システムが、燃料及び/又は燃料噴射装置の温度に影響を及ぼすように制御されることを特徴とする、運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は内燃ピストンエンジンの燃料噴射及び燃料噴射率の調整に関する。本発明は、また、ピストンエンジン及びピストンエンジンの作動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃エンジンには、通常、燃料注入システムが設けられており、ここでは燃料の加圧と噴射の制御は分けて行われる。このようなシステムにおいては、アキュームレータの容量が加圧燃料の貯蔵として使用され、加圧燃料の燃焼チャンバー内への吸気は燃料噴射ノズルのバルブニードルによって行われる。これらのシステムはコモンレール燃料噴射システムとして一般に知られている。
【０００３】
ノズルに供給される燃料の圧力と量は燃焼プロセスによって生成される燃焼ガスの量と質にとって重要であり、その燃焼ガスは最後には環境に対して負担をかける。したがって、これまでの目的は、種々の比較的複雑な電子システムによる燃料供給ラインにおける流量と圧力を制御するということに向けられてきた。
【０００４】
コモンレールシステムにおいては、バルブニードルの制御は、典型的にはニードルを開及び/又は閉の方向にニードル面に対して作用する燃料圧力を利用することにより達成される。典型的なコモンレールシステムにおいては、噴射ノズル内においてバルブニードルが上昇し始めると殆ど直ちに噴射圧力は高レベルに達する。
【０００５】
したがって、燃料のマスフローが噴射の開始直後からきわめて大容量なものとなるように燃料は燃焼スペース内に噴射される。この場合、シリンダー圧力は最適な性能が得られるように急速に上昇する。したがって、噴射圧曲線（噴射プロセスの期間における種々の時点でのノズル内の圧力）によって示される最大圧力への到達は通常は早すぎる。更に、次の噴射が始まる前の噴射圧力の減少に時間を要する。
【０００６】
圧力上昇率を制御するために、比率調整装置による、いわゆる燃料噴射率調整（rate  shaping）を使用することが知れている。
【０００７】
EP  1686257  A2  は、ニードルが閉の状態において、開及び閉の両方向にニードル表面に燃料圧力を作用させることによりバルブニードルを制御する燃料噴射装置を開示している。噴射時において、ニードル表面にニードルの閉の方向に作用する燃料圧力はノズルの流出孔を開くことにより開放され、これにより力のバランスに変化が生じ、ニードルの移動が生じる。EP  1686257  A2  は、また、燃料噴射時の初期部分で燃料の流れを制限し、噴射の後半の部分で流量をより大きくする比率調整システムを開示している。この装置では、比率調整は、燃料を噴射装置のサック（sac）へ導く主燃料ラインに設けられる制限装置を変更することに基づいている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
たとえこの燃料噴射装置がこのような使用に適合しているとしても、比率調整機能のより精密な制御に対する要請がでてきている。したがって、本発明の目的は、エンジンの種々の運転状態においてもより良好に作動するピストンエンジンのための燃料噴射装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の目的は、噴射用ニードルが設けられる燃料噴射装置本体を備えるピストンエンジン用燃料噴射装置によって達成され、噴射用ニードルは、噴射用ニードルの位置に基づいて噴射装置からの燃料噴射流を阻止又は可能とするように設けられ、前記噴射用ニードルの位置は、加圧制御流体を作用させて前記ニードルがその閉の位置となるように、また、前記加圧流体を減少させて前記ニードルが閉の位置から離れるように移動させるように加圧制御流体によって制御され、前記燃料噴射装置は、更に、前記制御流体のための流路を備え、前記制御流体の流路は前記制御流体の流れを制限する制限部分を備えている。前記制限部分は、少なくとも一つの温度依存制限効果を与える温度効果部材を備えている。
【００１０】
この燃料噴射率調整の方法は、前記制限部分の、異なる温度で異なる制限効果を与える手段によって達成される。この制限部分の温度は燃料の温度を変えることに変更することができる。
【００１１】
本発明の一実施例によれば、前記制限部分は制限流体のための流路を画成する、少なくとも二つの協働作用する温度効果部材を有する少なくとも一つの面を持ち、第１の部材は第２の部材と温度膨張係数が異なる。
【００１２】
本発明の一実施例によれば、前記第１の部材はセラミックであり、前記第２の部材はスチールである。セラミック材料は、また、使用における改善された耐摩耗を与える。
【００１３】
噴射用ニードルの位置は加圧制御流体によって影響を受けるため、加圧制御流体を適用することにより、ニードルはその閉の位置に向けて付勢され、加圧流体を減少することにより、ニードルはその閉の位置から離れる方向に移動し、制御に対する比率調整操作の効力は噴射装置を経由する燃焼チャンバー内へ実際の燃料の流れに対して不利を及ぼさない。
【００１４】
本発明の他の実施例によれば、燃料噴射装置本体は、その内部に噴射用ニードルが入り込むインジェクタースペースを備え、そのインジェクタースペースは、燃料入口孔とそのインジェクタースペースの一方の端部に燃料噴射スプレー孔オリフィスが設けられ、そこを通して噴射用ニードルの制御の下で燃料が噴射され、噴射用ニードルの第２の端部が制御スペースを画成するように設けられ、その制御スペースは前記制限部分が設けられる制御流体のための流路に属している。
【００１５】
前記制御スペースは噴射用ニードルの少なくとも一部を囲むカラー部分によって画成されることが有利である。好ましい実施例によれば、制御スペースは少なくとも噴射用ニードルの端部の一部を囲むカラーによって画成される。制限部分は噴射用ニードルとカラー部分の対向する面を有している。
【００１６】
前記カラー部分は噴射用ニードルとは異なる材料からなることが有利である。
【００１７】
本発明の他の実施例によれば、分離した制御パネルが前記カラー部分内に設けられ、その制御パネルにはオリフィスが設けられ、また、制限部分は、制御パネルのオリフィスとバルブプレートの出口チャンネル内の第２の狭窄部を有し、制御パネルはバルブプレーとは異なる熱膨張率を有している。
【００１８】
燃料噴射装置本体内に噴射用ニードルが設けられるコモンレール燃料噴射システムを持つピストンエンジンにおいては、ニードルがその位置に基づいて噴射装置からの燃料噴射の流れを阻止或いは許可するために設けられ、その噴射用ニードルの位置は、加圧制御流体を作用させることにより前記ニードルをその閉鎖位置に向けて付勢し、加圧制御流体を減少させることにより、前記ニードルをその閉鎖位置から離れる方向に移動させるように、加圧制御流体によって変更され、噴射装置は、更に、加圧状態が噴射用ニードルの位置に影響を及ぼす制御流体のための流路を有し、その制御流体用の流路は、制御流体の流れに制限を与える制限部分を備えている。本発明の特徴は、前記制限部分は、異なる温度において異なる温度効果を与える少なくとも一つの温度効果部材を備えることにある。
【００１９】
本発明の一つの実施例によれば、ピストンエンジンは燃料噴射装置の作動上の近傍位置に設けられた冷却システムを有している。
【００２０】
本発明の更なる実施例によれば、冷却システムは燃料噴射装置の本体の作動上の近傍位置に設けられる。
【００２１】
本発明は、噴射用ニードルが設けられる噴射装置本体を有するコモンレール燃料噴射システムを持つピストンエンジンを運転方法に関し、ピストンエンジンは、エンジンの始動後、少なくとも一つの予め決められた物質の排出がエンジンの排気ガスから測定され、少なくともエンジンが正常の運転温度に達するまで、エンジンの冷却システムが、噴射用ニードルの位置に影響を与える制御流体に対して温度依存制限効果を与える少なくとも一つの温度効果部材を制御するために、燃料及び/又は燃料噴射装置の温度に影響を与えるように制御される。
【００２２】
以下、本発明を例示的、概略図を参考にして説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施例を示す図である。
【図２】本発明の実施例による比率形成の機能性の例を示す図である。
【図３】本発明の他の実施例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
図１はピストンエンジンのシリンダーヘッド１５内に設けられた燃料噴射システム１０の概略図を示す。燃料噴射システム１０は燃料噴射装置２０を有し、これにより燃料がエンジンの燃焼チャンバー内に供給される。図１の実施例においては、燃料噴射装置２０は燃料噴射装置本体２５に組み込まれている。燃料噴射装置は燃料アキュームレータスペース３０を含み、この燃料アキュームレータスペース３０は燃料噴射システム１０に属する加圧燃料源３５に接続されている。燃料噴射装置本体２５には、内部に噴射用ニードル４０が設けられる燃料スペース７０が設けられている。噴射用ニードル４０は第１の端部に先端４５を持ち、それにより、噴射用ニードル４０が燃料噴射噴霧孔オリフィス（図３の４６，図１には示されていない）と燃料噴射装置本体２５の燃料スペースとの間の流路を開又は閉にすることにより、燃焼スペース内へ燃料噴射流を阻止、又は許可するようにしている。噴射用ニードルは特に図３に示されるように、一又は複数の連続する部品により組み立てることができる。ニードルが図１及び図３に示される位置にあるとき、噴射用ニードルの上端である第２の端部には、カラー部６５があり、その内部に噴射用ニードルの第２端部が延びている。カラー部６５内及び噴射用ニードル上のスペースは本システムの制御スペース６３を区画する。カラーは円筒状内部空間を有し、噴射用ニードル４０の第２端部は円筒状外面を有し、それらは共通の長手方向軸を持つ。
【００２５】
燃料噴射装置本体２５内のアキュームレータスペース３０は、燃料噴射装置本体２５に設けられる主燃料チャンネル５０を通して噴射装置における燃料スペース７０と流体接続されている。主燃料チャンネルは入口ポート５１を通して燃料スペース７０に開口している。チャンネル５０には、また、フローヒューズ５５も設けられている。フローヒューズは、例えば、システムの故障時のような場合に燃料の流れを阻止するようにして、制限された連続する燃料の流れだけを可能にするために設けられるものである。図１から明らかなように、アキュームレータ３０の圧力は、主チャンネル５０と接続されていることにより、燃料スペース７０を支配する。燃料スペース７０の上部にはバルブプレート６０が設けられる。バルブプレート６０は燃料スペース７０の上部を区画する。
【００２６】
バルブプレートには、カラー部６５内のスペースに接続する連通チャンネル７５が設けられている。連通チャンネル７５には後にその目的を説明する第１狭窄部８０が設けられる。バルブプレートには、更に、カラー部６５内のスペースに開口する出口チャンネル８５が設けられる。出口チャンネル８５には第２狭窄部９０が設けられ、そこを通して出口チャンネル８５がバルブ部材９５に接続されている。バルブ部材は好ましくはオン・オフ電磁バルブで、燃料噴射システム１０の高圧部３０，３５，７０及び低圧部１００と互いに接続可能に分離している。
【００２７】
カラー部６５は、カラー部６５と噴射用ニードル４０との間に支持されたニードルスプリング６６によってバルブプレート６０に押し付けられている。
【００２８】
燃料噴射システム１０は、加圧燃料源がアキュームレータ３０の容積が所定圧の燃料で満たされるように作動する。バルブ部材、即ち、ソレノイド９５が出口チャンネル８５とシステムの低圧部１００との間で流路を連通状態としたとき、チャンバー内、即ちカラー６５内及び噴射用ニードル４０の第２端部上部のスペースの圧力は急速に減少する。これは、第１狭窄部８０が出口チャンネル８５の第２狭窄部９０の第２区域より小さい燃料フローの第１区域を持つという事実により生じる。燃料スペース７０内の圧力が実質的に変化しないように維持されている間におけるカラー部６５内及び噴射用ニードル４０の第２端部内の圧力の減少は、噴射用ニードル４０の長手方向軸の方向に作用する力のバランスを変え、バルブプレート６０の方向に押し燃料噴射噴霧孔オリフィスと燃料スペース７０との間の流れ連結を開にする。
【００２９】
燃料スペース７０内の圧力が下側からバルブプレート６０に対し緊密に密閉を確保するように作用するため、噴射サイクル全体の間、カラー部６５はバルブプレート６０に対して緊密に押圧される。
【００３０】
カラー部６５とニードル４０との間の小さいギャップ７１は燃料スペース７０からの燃料の僅かな漏洩を可能とし、これが往復運動するニードルと静止するカラー部との間の潤滑を助ける。
【００３１】
上述のように、噴射用ニードル４０の位置は、この実施例では燃料である加圧制御流体によって影響を受ける。制御流体が他の適当な加圧媒体、例えば油圧とすることもできることは当業者にとって明らかであるが、噴射のために既に加圧された燃料を用いることが有利である。したがって、加圧燃料を使用することにより、ニードルはその閉の位置に向けて付勢され、また、制御流体を減圧することにより、閉の位置から離れる方向に移動することが可能となる。
【００３２】
噴射は、高圧燃料噴射システム１０であるにも関わらず、本発明の実施例に従い少ない初期噴射比率で実行され、これは、NOx粒子及び同時に発生するノイズを減少させる可能性をもたらす。これは、制御流体圧力が減少し、ニードル４０がその閉位置から離れる方向に移動することが可能となるとき、制御流体の流量を制限することにより達成される。
【００３３】
図１の実施例においては、制御圧力が噴射用ニードルの位置に影響を与えるとところの制御流体の流路は、連通路７５と第１狭窄部８０，出口チャンネル８５及び第２狭窄部９０及びカラー部６５とニードル４０との間の間隙の組み合わせによって形成される。比率形成機能を与えるため、この流路は制御流体に制限効果を与える少なくとも一つの区域を有し、この場合、３個の制限部、即ち、第１及び第２制限部及びギャップで、これらの全てはカラー部６５内のスペース６３の減圧効果を与えるものである。
【００３４】
図１の実施例において、カラー部６５及び少なくともインジェクションニードル４０の第２端部は異なる熱膨張率を持つ材料から成り、異なる温度で異なる制限効果を与える温度効果部材の実施例となるものである。
【００３５】
この実施例においては、特に、カラー部６５の内面とインジェクションニードルの外面が制御流体の流路を画成し、ここでは、二つの対向する温度効果部材がそれらの間でそこを支配する温度に従って変化するようにギャップを生じる。このことは、次に、燃料スペース７０からそのギャップを通り、カラー部６５内への燃料の流量率を変化させ、また、カラー部６５内の圧力を減少させる。
【００３６】
シリンダーヘッド１５にはシリンダーヘッド内の流路を含む燃料噴射装置２０の作動上の近傍位置、特に燃料噴射装置本体の近傍に設けられた冷却システム１０２が設けられている。冷却システムにより、少なくとも温度効果部材４０、６５，７１を制御するため、燃料及び/又は燃料噴射装置１０の温度に影響を与えることが可能となる。冷却装置は噴射装置本体２５に対して設けられる流路チャンネル（図示せず）を含むことができる。
【００３７】
次に図２を参照すると、図１の温度依存部材の作用を示す状態の例が示されている。垂直軸は噴射圧pを示し、水平軸はエンジンのクランク角C.A.を示す。曲線は噴射開始時の圧力の増加を示す。曲線Ａはカラー部６５及び噴射用ニードル４０の双方がスチールで造られ、従って、同一の温度特性、特に熱膨張係数を有する。曲線Ａはここでは参照として示されるものである。曲線Ｂはカラー部６５及び噴射用ニードル４０が異なる材料で造られるケースを示す。特に、カラー部６５は炭化タングステン又は窒化シリコンのようなセラミックであり、噴射用ニードルはスチールである。この例の燃料温度は約１４０℃である。曲線Ｃもカラー部６５がセラミックであり、噴射用ニードルがスチールである。この例の燃料温度は約４０℃である。
【００３８】
図２に見られるように、低温でエンジンが作動しているときは噴射圧力の増加はかなり緩やかなスロープとなっている。一例として、ある圧力において、クランクアングル（C.A.）１．９°の遅れＤを示している。これは、通常の運転温度以下のエンジンの作動時、例えば、エンジンのスタート直後、においては、特に有利であることを示している。この状態においては、排ガス制御装置、特に、NOx触媒コンバータはまだその作動温度に達してなく、本発明の手段による温度効果燃料噴射比率形成はこの問題に対して有利な効果をもたらす。
【００３９】
本発明の実施例によれば、ピストンエンジンは、エンジン始動時の後は、少なくとも一つの決められた物質がエンジンの排ガスから測定され、少なくともエンジンが通常作動温度になるまで、制御流体の流れに温度依存制限効果を与える少なくとも一つの温度効果部材６５を制御するために、エンジンの冷却システムが燃料及び/又は燃料噴射装置１０の温度に影響を及ぼすように制御される。
【００４０】
図３は本発明の他の実施例による燃料噴射システム１０を示す。カラー部６５内の制御スペース６３に関する詳細な部分以外は図１の実施例に対応し、従って、同一の参照番号が対応する要素について使用される。
【００４１】
図３の実施例においては、噴射用ニードル４０の第２端部、即ち、図３の位置の上端、には、制御スペース６３に穴を切削形成する穴のような
円筒状空間６４が設けられる。噴射用ニードル４０の第２端部とスプリング６７によって支持されたバルブプレート６０の間に設けられた制御プレート６８がある。この制御プレートは孔又はオリフィス６９を有し、この孔は、第１の側、即ち、噴射用ニードルの側から、第２の側、即ち、バルブプレート６０の側へ噴射用ニードルの軸方向に延びている。制御プレート６８の第２の側には、また、キャビティを囲む制御プレート６８の周囲のリム７２によって区画されるスペースが設けられる。連結チャンネル７５と出口チャンネル８５はこのスペースに接続されている。カラー部６５の端部には半径方向の縮小部６５’があり、これがカラー部６５の肩部を形成している。制御プレート６８はカラー部６５の内径より大きい径を持ち、これにより、縮小部６５’によって形成される肩部が制御プレートが動くことを制限している。縮小部の長手方向の高さは制御プレートの噴射用ニードル４０の軸方向における厚みより大きくしている。
【００４２】
噴射が開始する前の静止位置において、制御プレート６０はリム７２によってバルブプレート６０に対してシールされている。バルブ部材９５が起動されると、制御スペース６３の減圧が開始される。カラー部６５内の加圧制御スペースからの燃料の流出は、出口チャンネル８５の第２制限部９０と共に制御プレート６８のオリフィス６９により制御される。これは、ニードル上昇の傾斜をより遅くし、したがって、噴射圧力の上昇をより低いものとする。
【００４３】
更に、図３の実施例においては、制御流体の流路はカラー部６５とニードル４０との間にギャップ７１が存在する。比率形成機能を変えるために、流路は異なる熱膨張係数を持つ少なくとも一つの区域、その一つの実施例として異なる温度で異なる制限効果を与える温度効果部材を持つ。カラー部６５と噴射用ニードルの第２端部は異なる温度膨張係数を持ち、制御流体に対する制限効果を与える。
【００４４】
閉鎖シーケンスはバルブ部材９５が制御プレートのオリフィス６９を通過する流れを閉じるとき開始する。バルブ部材９５は電磁バルブとすることが有利である。初期のフェーズにおいて、制御プレート６８はバルブプレート６０に対向する位置にあり、燃料はオリフィス６９を通してのみ流れる。オリフィス８０を経由する流れはオリフィス６９を通りキャビティ６４又は制御スペース６３へと続くため、ニードル４０の頂部に作用する制御スペース６３内の圧力は、ニードルがその閉動作を開始するように作用する。キャビティ６４内の圧力による力とばね６７の力は、リム７２とバルブプレート６０によって区画される制御プレート６８の第２側におけるスペース内の圧力により生じる圧力以下に減少する。この時点において、制御プレート６８はバルブプレート６０との接触状態から離れ、燃料は制御プレート６８の周りに流れる。この流れが第２スペース６３内への燃料の流量が大幅に増加することを可能にし、ニードルをその閉位置となるように作用する。閉鎖シーケンスにおいて、制御プレート６８は噴射用ニードル４０とバルブプレート６０の間に浮遊している。制御プレートとカラー部の間のギャップは、制御流体が、ニードルをプレート６８が追随することなく十分に早く下方に押し下げることを可能にするのに十分な大きさとされている。したがって、オリフィス６９は初期フェーズの後は閉鎖シーケンスを遅延させることは全くない。
【００４５】
本発明の実施例によれば、カラー部６５は噴射用ニードルとは異なる材料、即ち、図１に示されるようにセラミックから成る。本発明の他の実施例によれば、カラー部６５は噴射用ニードルと同じ材料からなる。
【００４６】
本発明は、これまで現時点で最も好ましい実施例と考えられている例示的実施例により説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されるものでなく、それらの特徴の種々の組み合わせ及び変形、及び、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲に含まれる他の出願をカバーするものであると理解されるべきである。上述のすべての実施例に関連して詳細に述べられた事項は、技術的に適用可能であれば、他の実施例に関連して使用することが可能である。
【図１】
0005917554.tif 000002
【図２】
0005917554.tif 000003
【図３】
0005917554.tif 000004