(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
共同噴射方式で使用するための噴射ノズル(12)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)の境界を画定するノズル部材(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、もどり弁(36)の弁素子(38)の大きいストロークに対応する、噴射ノズル(12)を開放するための高い値に保ち、噴射ノズルを開放した後、開放している間に、低い値に保ち、それでもって、電気信号の遮断および噴射ノズルの閉鎖間の遅延を短く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。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、噴射ポンプから共通の管路を経て、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の制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼルエンジンのための共同噴射方式は、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（１９９４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。
【０００３】
このような共同噴射方式に用いられる噴射ノズルは、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。
【０００４】
噴射の手順は噴射ノズルに統合された電磁バルブにより制御される。
【０００５】
ノズル部材すなわちノズルニードルの直接制御は、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。
【０００６】
電磁弁として構成されたもどり弁は、その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。
【０００７】
大きい絞り弁断面積は、噴射ノズルが急速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。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、予備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。
【０００９】
さらに、他の目的は、それぞれの作動時の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。
【００１０】
また、他の目的は、本発明の噴射ノズルを用いて、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。
【００１１】
さらに、他の目的は、本発明の噴射ノズルを用いて、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。
【００１２】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
本発明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。
【００１３】
本発明による噴射ノズルを用いれば、もど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。
【００１４】
操作装置を、圧電作動する装置にすれば、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。
【００１５】
少なくとももどり弁の開口の初期時において、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。
【００１６】
もどり弁の弁素子をもどり弁の開放側の還流管路側に配置し、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。
【００１７】
もどり弁の弁素子が弁室の中に配置されており、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。
【００１８】
そうすれば、弁素子を、チャンバから働く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。
【００１９】
操作装置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。
【００２０】
本発明の噴射ノズルを用いて、燃料噴射の初期段階において、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。
【００２１】
本発明の噴射ノズルを用いて、噴射ノズルの初期の開放時に、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。
【００２２】
そうすれば、噴射ノズルを著しく急速に閉じることができ、これは燃焼にとって有利である。
【００２３】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
【００２４】
図１は共同噴射方式の全体図、図２は本発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。
【００２５】
図１によれば燃料タンク(2) は、フィルター（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。
【００２６】
噴射ノズル(12)は、タンク(2) に導かれている帰還管路(16)に、帰還管路(14)により連結されている。
【００２７】
システム圧力は限界弁(18)を用いて制限され、システム圧力は２０００バールまで上げることができる。
【００２８】
電子制御装置(20)はその出力部が高圧ポンプ(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。
【００２９】
図２は本発明の噴射ノズル(12)と付属する燃料回路との概略構成を示している。
【００３０】
噴射ノズル(12)は、その先端がノズルニー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。
【００３１】
ノズル部材(26)はアクチュエータピストン(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(14)と連結している。
【００３２】
もどり弁(36)の作動のために、その弁素子(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。
【００３３】
このような圧電アクチュエータはそれ自体は既知であり、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。
【００３４】
圧電アクチュエータの代わりに、電流の貫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。
【００３５】
図３は噴射ノズル(12)の１実施形態の断面を示し、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、５０９ページに記載されている。
【００３６】
重要であるのは、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、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。
【００３７】
そして、もどり弁(36)が閉鎖されている場合、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。
【００３８】
供給管(10)の全体の圧力水準は、運転条件に応じて圧力センサー(24)によって捕捉し、制御装置(20)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。
【００３９】
図４は操作法の測定記録の１例を示す。
【００４０】
曲線Ｉは弁素子(38)のストロークｈｖ（接続部(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。
【００４１】
図示した例で供給絞り(34)の直径は０．３０ｍｍ、もどり弁(36)（図３）の穿孔直径は０．７ｍｍであった。
【００４２】
曲線ＩとＩＩから見て明らかなごとく、噴射ノズル(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。
【００４３】
図５において曲線ＩａとＩＩａは、図４の曲線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。
【００４４】
曲線Ｉｂ，ＩＩｂおよびＩｃ，ＩＩｃは、もどり弁(36)がある時は一定の振幅で開放され（Ｉｂ）、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。
【００４５】
図６は図２に比してやや変更した実施例の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。
【００４６】
図７は図６のもどり弁(36)の概略図を示す。
【００４７】
弁室(44)は連結管(35)の接続のための接続開口部と、還流開口部(46)とを備え、弁室(44)が空間(48)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(54)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。
【００４８】
図８は噴射ノズル(12)の他の実施形態の断面図を示し、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。
【００４９】
噴射ノズル(12)のケーシングカバー(60)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。
【００５０】
ケーシングカバー(60)とケーシング部分(62)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(35)、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(14)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。
【００５１】
上記の配置の機能は次の通りである。
【００５２】
操作装置(40)に電圧が加えられていない状態において、操作素子(56)は、ばね(54)によって弁座(50)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。
【００５３】
操作装置(40)に電圧が加えられると、弁素子(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。
【００５４】
図４と図５を用いて説明した噴射ノズルの操作方法は、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。
【００５５】
【発明の効果】
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は共同噴射方式の全体外略構成図である。
【図２】図２は本発明の１実施形態の噴射ノズルの燃料回路図である。
【図３】図３は図２の噴射ノズルの要部の断面図である。
【図４】図４は図２の噴射ノズルの噴射ストローク、圧力、および総噴射量の関係を示した図である。
【図５】図５は異なる制御方法による噴射ノズルの噴射ストローク、圧力、および総噴射量の関係を示した図である。
【図６】図６は本発明による他の実施形態の噴射ノズルの燃料回路図である。
【図７】図７は図６の要部の概略構成図である。
【図８】図８は図６の噴射ノズルの断面図である。
【符号の説明】
(14)        還流管路
(26)        ノズル部材
(28)        ノズルチャンバ
(30)        アクチュエータピストン
(32)        作動チャンバ
(34)        供給絞り
(35)        連結管路
(36)        もどり弁
(38)        弁素子
(40)        操作装置
(44)        弁室
(46)        還流開口部
(50)        弁座
(56)        操作素子
【図１】
0003944529.tif 000002
【図２】
0003944529.tif 000003
【図３】
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【図４】
0003944529.tif 000005
【図５】
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【図６】
0003944529.tif 000007
【図７】
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【図８】
0003944529.tif 000009