(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関のシリンダに異なる圧力の媒体を直接噴射する噴射装置において、燃料をシリンダ内に噴射するように配置された第１の弁（３）と、燃料の燃焼によって生じる有害物質の量を低下させる追加媒体をシリンダ内に噴射するように配置された第２の弁（４）とを含み、前記第２の弁（４）が、追加媒体をシリンダ内に噴射する開位置と、閉位置との間で弁体（２）内を移動可能であってバネ（１２）の力よって閉位置に押圧されている細長い弁部材（５）と、該弁部材（５）のシリンダ側の部分を囲繞し、加圧された前記追加媒体が連続的に送給される第１室（６）とを有し、前記弁部材（５）に第１ピストン面（７）として働く段が形成されていて、前記第１室（６）のシリンダから遠い方の端部が該第１ピストン面（７）によって画定され、前記第１室（６）内の追加媒体の圧力が該第１ピストン面（７）に作用して該弁部材（５）を開位置へ向けて押圧するようになっており、前記第１ピストン面（７）の大きさが、前記第１室（６）に送給される追加媒体の圧力だけで前記弁部材（５）を開位置へ移動させるには不十分とするようなものになっており、さらに、前記噴射装置が電気信号（３５）によって制御される制御弁（２７）を有し、この制御弁が、前記電気信号（３５）に応じて、前記第１ピストン面（７）に作用する追加媒体の圧力と協働して、前記弁部材（５）を開位置へ移動させるよう作動する構成になっていることを特徴とする噴射装置。
【請求項２】
制御弁（２７）がソレノイド弁であり、このソレノイド弁がエンジンの作動に応じて電子制御ユニット（３６）から電気信号（３５）を受入れるようになっており、前記電子制御ユニット（３６）が、送給サイクルの開始及び持続を常にエンジンの負荷及び回転数を考慮して生じるように前もってプログラムされている請求項１記載の噴射装置。
【請求項３】
弁部材（５）が第２ピストン面（１０）を有し、前記第２の弁（４）が、作動油が送給される第２室（９）を有し、該第２室（９）の一端が第２ピストン面（１０）によって画定されていて、前記第２室（９）内の作動油の圧力が該第２ピストン面（１０）に作用して前記弁部材（５）を開位置へ向けて押圧するようになっており、また、ソレノイド弁（２７）が、第２室（９）内への作動油の送給を制御するように配置されている請求項２記載の噴射装置。
【請求項４】
作動油のための回路が、送給ポンプ（２４）を有する分岐パイプ（２３ａ）を備え、その分岐パイプ（２３ａ）が、前記第１および第２ピストン面（７、１０）の間に位置する弁部材（５）の部分を囲繞する密封溝（４４）に連結されている請求項３記載の噴射装置。
【請求項５】
流動制御装置（２０）を有する追加媒体の送給回路を備え、該流動制御装置（２０）が、追加媒体の流動圧力の変動を検出して、シリンダに対する追加媒体の送給が設定した時間限度を超えた時に前記第１室（６）に対する追加媒体の送給を遮断するように構成されている請求項１記載の噴射装置。
【請求項６】
前記第１および第２の弁（３、４）内のノズルオリフィス（３９、４１）が、相互に異なるレベルに配置されている請求項１記載の噴射装置。
【請求項７】
前記第１および第２の弁（３、４）が同じ弁体内に配置されている請求項１記載の噴射装置。
【請求項８】
燃料と、燃料の燃焼によって生じる有害物質の量を減少させる追加媒体とを、前記第１および第２の弁のそれぞれを通して内燃機関のシリンダ内に送給する、請求項３又は４に記載されている噴射装置を使用する方法であって、前記第１室に対する追加媒体の送給を少なくとも２５０バールの圧力で行い、その送給により発生して前記弁部材に作用する力が、該弁部材を閉位置へ押圧する前記バネの力より小さくなるようにするとともに、追加媒体の噴射の開始が作動油を圧力下で前記第２室に送給することによって開始されるようにし、また、追加媒体の送給が、部分的に燃料の送給と同時に生じ、かつ前記第２室に対する作動油の送給を遮断することによって停止されるようにする噴射装置の使用方法。
【請求項９】
追加媒体が水であり、その追加媒体の送給が燃料送給の開始前に開始され、かつ燃料送給の開始後に停止されるようにする請求項８記載の噴射装置使用方法。
【請求項１０】
追加媒体をアンモニウム、尿素またはこれらの水溶液とし、その送給を燃料の送給開始後で燃料の点火開始後に開始し、かつその送給を燃料の送給停止後にはじめて停止するようにする請求項８記載の噴射装置使用方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は特許請求の範囲の前文に記載されている内燃機、特にディーゼルエンジンに対する噴射装置で、エンジンのシリンダ内に、異なる圧力の媒体を直接噴射する装置において、燃料を噴射するように配置された第１弁、及び追加媒体を噴射するように配置された第２弁を有し、この追加媒体により、燃料の燃焼によって生じた有害物質の量を減少させるようになった噴射装置に関するものである。本発明はなお請求項８にしたがって、前記噴射装置を使用する方法に係る。
【０００２】
【従来の技術】
特にディーゼルエンジンのシリンダにおいては、高温に起因して酸化窒素、ＮＯｘが発生し、これは排ガスと共に大気中に放出される。放出酸化窒素は周囲環境に否定的な影響を及ぼすから、これを最小限に止めるために種々の努力が払われている。実際に、エンジン内の燃焼現象を変えることが試みられ、または排ガスは浄化されている。
【０００３】
エンジン技術に関する方法は、酸化窒素の発生を最小限に止め、またはエンジンシリンダの実際の燃焼室内の酸化窒素を減少させることに基礎を置いている。このような方法としては、例えば燃料噴射の進みを変え、シリンダ内に直接追加媒体を噴射する等の方法がある。この場合放出酸化窒素は代表的には１０〜７０％減少する。機器に対する投資の観点からは、エンジン技術に関するこの方法は有利である。
【０００４】
エンジンに対する周知の国内技術は、燃焼プロセス及び（または）その生成物が、シリンダ内において、実際の燃料の他に、或る媒体を追加的にシリンダ内に送給し、混合物と作用せしめ、またはこれを冷却し、それによってプロセスから生じる排ガス内の酸化窒素の量を、この時行われる化学的作用及びまたは冷却によって実質的に減少させることによって、処理し得るという事実に基礎を置くものである。
【０００５】
したがって送給すべき追加媒体は、還元媒体、特にアンモニウムまたは尿素とすることができる。或種の溶液、特に水は追加媒体と具合良く混合し、還元媒体及び溶液の水滴を均一に分散し、シリンダの燃焼室内に酸化窒素の化学的還元プロセスを発生させることができる。追加媒体はなお水とすることができ、この時は酸化窒素の量を減少させる効果は燃焼混合物の冷却を基礎としている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、特にディーゼルエンジンに対する改良噴射装置で、構造が簡単であり、かつ確実に作動すると共に、噴射時点及び持続時間を正確に選択することができ、かつ必要に応じて噴射状態を変え、燃焼過程において排ガス内に生じる、異なる量の酸化窒素を減少させるようになった噴射装置と、その使用方法を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の目的は請求項１及び他の項に記載された手段によって達成することができる。本発明によれば、内燃機関のシリンダに異なる圧力の媒体を直接噴射する噴射装置において、燃料をシリンダ内に噴射するように配置された第１の弁と、燃料の燃焼によって生じる有害物質の量を低下させる追加媒体をシリンダ内に噴射するように配置された第２の弁とを含み、前記第２の弁が、追加媒体をシリンダ内に噴射する開位置と、閉位置との間で弁体内を移動可能であってバネの力よって閉位置に押圧されている細長い弁部材と、該弁部材のシリンダ側の部分を囲繞し、加圧された前記追加媒体が連続的に送給される第１室とを有し、前記弁部材に第１ピストン面として働く段が形成されていて、前記第１室のシリンダから遠い方の端部が該第１ピストン面によって画定され、前記第１室内の追加媒体の圧力が該第１ピストン面に作用して該弁部材を開位置へ向けて押圧するようになっており、前記第１ピストン面の大きさが、前記第１室に送給される追加媒体の圧力だけで前記弁部材を開位置へ移動させるには不十分とするようなものになっており、さらに、前記噴射装置が電気信号によって制御される制御弁を有し、この制御弁が、前記電気信号に応じて、前記第１ピストン面に作用する追加媒体の圧力と協働して、前記弁部材を開位置へ移動させるよう作動する構成になっていることを特徴とする噴射装置が提供される。
追加媒体に対する回路を、追加媒体が第２の弁の第１室と直接連続的に連結されるようにすることにより、実際の弁体構造は簡単となり、弁は効果的に作動するようになる。追加媒体の噴射は電気制御信号に応じて行うから、必要に応じ正確にかつ弾性的に行われる。
【０００８】
制御弁はソレノイド弁であり、エンジンの作動にしたがって、電子制御ユニットから電気信号を受入れ、かつこの弁は前もってプログラムされ、送給周期の開始及び持続時間が常に、エンジンの負荷及び回転数を考慮に入れて起こるようにされている。これによって、状況に応じて酸化窒素の量を最小限にするための変動が、正確にかつ弾性的に生じる。
【０００９】
実際には、前記ソレノイド弁は、弁部材上に配置された第２弁と関連して配置された第２室内に送給される作動油を制御するように配置され、それによって作動方向は両ピストン面に対して同じになる。
【００１０】
作動油に対する回路はさらに独立した送給ポンプを有する分岐を含み、該分岐は密封溝に連結され、この密封溝は前記二つのピストン面間に位置する弁部材のマントル面によって画定されている。これによって弁が制御されるばかりでなく、同じ作動油が弁部材を密封するために使用され、異なる圧力が異なる分岐内で使用され、密封圧力は両圧力媒体室内の圧力を超えるようになる。
【００１１】
追加媒体に対する送給回路は、流動圧力の変動を検出するように配置された流量制限装置を含み、したがって必要に応じ例えば、シリンダに対する送給が、設定された時間限度を超えた時には、前記第１室に対する追加媒体の送給を遮断する。この状態は例えば、ジャミングが生じて弁部材が完全には閉鎖しない時に生じる。
【００１２】
弁内のノズルオリフィスが異なるレベルに配置されている場合においても、追加媒体の分配は均一となる。さらに両方の弁は同じ弁体内に配置することができる、これによって強固な密実構造が得られる。
【００１３】
燃料と、燃料の燃焼によって生じる有害物質を減少させるための追加媒体が、独立の弁を通してエンジンのシリンダに送給されるようになった、本発明による噴射装置は、これを有効に使用し、追加媒体の送給室に送給される追加媒体が、追加媒体弁の運動と関連して、２５０バール以上、好ましくは少なくとも４００バールの圧力で起こり、それによって弁部材に加わる力が、弁を閉じるために設けられられたバネの力より低い状態に留まり、噴射の開始は、加圧された、好ましくは２５０〜４００バールまで加圧された作動油を弁部材に作用する作動油室に送給することにより、かつ該追加媒体の送給が部分的に燃料の送給と同時に起こり、かつ作動油室に対する作動油の送給を遮断することによって停止される。したがって追加媒体の送給は、連続的に起こり、かつ部分的には燃料の送給と同時に起こる。
【００１４】
追加媒体が水である場合は、その送給は燃料の送給前に開始され、かつ燃料の送給開始後に停止される。同様に追加媒体がアンモニウム、尿素またはそれらの水溶液である場合には、その送給は燃料送給の開始後、好ましくは実際燃料の点火後に開始され、かつこの送給は燃料の送給が停止した後に初めて停止される。
【００１５】
本発明による噴射装置の使用は、種々の送給方法を使用して、窒素酸化物の量だけを減少せしめんとする場合には、燃料消費が同時にある位相において、実質的に増加し始めるという実験的に認められた現象を基礎としている。しかしながら本発明の方法においては、燃焼過程において生じる参加窒素は効果的に減少し、かつ燃料消費は合理的に維持される。
【００１６】
次に添付図面によって、本発明による噴射装置の１実施例を説明する。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１はシリンダ（図示せず）の燃焼室を画定し、かつ弁体２を支持するエンジンのシリンダヘッドを示し、該弁体は燃料を噴射する弁３、及び追加媒体、例えば水を噴射する弁４を含んでいる。弁３は通路２１によって噴射ポンプ（図示せず）と連通し、該ポンプは弁３及びノズルオリフィス３９を通し、周知の態様で燃焼室に燃料を供給する。
【００１８】
追加媒体を供給するための弁４は、針部分５ａを備えた弁部材５を有し、この弁は実際にノズルオリフィス４１を通して、エンジンの燃焼室に供給される追加媒体を制御する。針部分５ａと関連して、追加媒体に対する室６が設けられ、該室はその上方部分が、弁部材５内に形成され、かつピストン面７として働く段によって画定される。追加媒体は加圧された状態で、通路８を通して室６に供給される。弁部材５はさらに第２ピストン面１０を有し、このピストン面は第２圧力媒体室９を画定している。作動油は次に述べるように、通路１１を通して第２室９に供給される。バネ１２は弁部材５を、弁体内の座面４２に対して弾発し、したがって弁４を常閉状態に維持する。
【００１９】
追加媒体を供給する回路は容器１３を有し、ポンプ１５はこの容器１５から、フイルタ１４、１８を通して通路８に追加媒体を送給する。この回路はさらに、圧力の変動を減少させる周知のダンパ装置１６、圧力調整装置１７及び圧力アキュムレータ１９を有し、該アキュムレータは送給中の圧力に過大な低下が生じないようにする。
【００２０】
前記回路はさらに、いわゆるフローヒューズ（flow-fuse ）２０を含み、このヒューズは流動圧力の変動を検出し、かつ所要の流動が得られるようにする。特に弁４を通してシリンダに送給される追加媒体が、設定時間の限度、例えば１０ｍｓを超えた時に、後述のように、このフローヒューズ２０は制御信号４６によって送給を遮断するように配置することができる。このように弁を開放状態に留める理由は、例えば弁部材にジャミングが生じ、弁が適当に閉じないようになることを考えてのことである。反対に、噴射の開始時に、圧力が低下する傾向がある場合には、フローヒューズ２０は圧力パルスを発生させるように配置し、圧力が例えば所要の噴射圧力より３０バール以上低下するのを防ぐようにすることができる。
【００２１】
実際には、フローヒューズ２０は、ピストン部材上に設け、追加媒体がこのフローヒューズを通して導かれ、かつ該フローヒューズが流れにより、バネの力に逆らって押圧されるようにする方が有利である。したがってフローヒューズはセンサとして働き、流れの変動によって生じた運動を検出し、したがって必要に応じ、前述の制御信号を発生する。
【００２２】
作動油は、エンジン油として有利に働き、ポンプにより油容器２２から、パイプ２３に沿った分岐２６を通してエンジン内に送給され、該パイプはそれぞれポンプ２４、２５を有する密封流体分岐２３ａ、及び制御流体分岐２３ｂに分かれる。必要な場合には、作動油の送給回路に、追加媒体送給回路の時と同様に、例えば圧力調節装置及びダンパ装置を設けることができる。作動油は密封流体分岐２３ａにより通路４３を通して、弁部材５を囲繞する密封溝４４に送給される。過剰流体はドレン通路４５を通して回収され、かつフイルタ（図示せず）を通して容器２２に復帰せしめられる。作動油の圧力は、室６内の追加媒体の圧力より、僅かに大となるように選択され、室６、及び９内の異なる圧力媒体が相互に混合しないようにされている。したがってもしも、室６内の追加媒体の圧力が、例えばほぼ４００バールとなる時は、作動油の圧力は例えば４３０バールとされる。
【００２３】
制御流体分岐２３ｂは、通路２８を通して弁体２内の室２９と連通している。室２９は制御弁２７を有し、この弁はバネ３３の力に逆らって運動し得る弁部材３０を備えている。室２９は延出部分２９ａ、２９ｂ及び２９ｃを有するように形成され、この時部分２９ａ及び２９ｂは通路３７を通して相互に連結され、部分２９ｃは通路１１を通して圧力媒体室９に連結される。常態ではバネ３３は弁部材３０内の弁表面３１を、弁体２内の座面３２に対して押圧し、したがって作動油が通路２８から、室２９、２８ａを通して通路１１に送給されないようにする。弁部材３０の制御は制御弁２７内のソレノイド装置３４によって行われ、このソレノイド装置は電子制御ユニット３６から制御信号３５を受入れる。制御ユニット３６は周知の態様でプログラムすることができ、エンジンの作動サイクルにしたがって、適時信号を発生するようになっており、例えばエンジンのカム軸の回転にしたがう検出器からの信号を基礎として、信号を発生する。さらにエンジンの負荷及び回転数の変化は、プログラミングの際に考慮に入れられ、したがって送給周期の調時及びその持続時間を変えることができる。制御ユニット３６は、エンジンがアイドリングしている時には制御信号３５を発生せず、それによって追加媒体が噴射されないようにプログラムすることができる。同様に、制御ユニットは、前述のように、フローヒューズ２０からのセンサ信号４６を基礎として、必要な時に噴射を遮断するようにプログラムすることができる。
【００２４】
制御流体分岐２３ｂを通して送給された過剰作動油は、通路４７及び圧力調節装置４８を通して容器２２に復帰せしめられる。しかしながら作動油の一部分はドレン通路４５を通して回収される。
【００２５】
追加媒体に対する送給弁４の動作は次の通りである。常態では送給に先立ち、ポンプ１５が通路８を通して室６に追加媒体を連続的に送給し、それによって室６内の圧力は、例えばほぼ４００バールとなる。バネ１２の力は、制御弁２７がその閉鎖常態にある時は、室６内の圧力が室９内の作動油の圧力と等しくなるように選択されるが、この圧力は弁を開くには不十分である。ソレノイド装置３４は、電子制御ユニット３６からの制御信号３５の影響を受けて、制御弁２７の弁部材３０を、バネ３３の力に逆らって図の上方に動かし、室２９及びその延長部分２９ｃを通って通路１１に至る通路２８は開く。したがって例えば送給すべき作動油の３００バールなる圧力は、室９内のピストン面１０に影響を及ぼし、その結果室６、９内の圧力は共働してバネ１２の力を超え、弁４を開き、それによって追加媒体はノズルオリフィス４１を通してシリンダの燃焼室に噴射される。
【００２６】
したがって制御ユニット３６は、追加媒体の噴射の調時及び持続時間を決定する。特に弁３を通して行われる燃料の送給に関しては、追加媒体が水である場合には弁４が弁３の前に開き、かつ弁３が開いた後も、弁４は開放状態に留まり、これら二つの弁は、ある時間の間は共に開いていることに注意する必要がある。追加媒体がアンモニウム、尿素またはこれらの水溶液である場合には、この追加媒体の送給は、弁３の開放後初めて開始される。この場合は弁４は、弁３を通る噴射が停止してから閉じるようになすことが望ましい。
【００２７】
弁４の閉鎖は、制御ユニット３６の制御下において起こり、ソレノイド装置３４が弁部材３０を釈放するようになっており、該弁部材はバネ３３によってピストン内に押入れられ、このピストン内では弁面３１、３２が共に通路２８から通路１１に至る作動油の送給を阻止し、それによって作動油は通路４７に流入し、かつ室９内の圧力は低下する。したがってバネ１２は弁部材５をその閉鎖位置に動かす。
【００２８】
実際に使用される追加媒体の送給圧力は、例えば２５０〜６００である。この圧力は最低の場合においても、シリンダの燃焼室内の圧力より高くなるようにすべきである。この圧力の上限は弁部材５を閉じるバネ１２の力によって決まり、したがってバネ１２は、制御弁２７の閉鎖後、ほぼ２０バールとなる室９内の作動油の圧力を考慮にいれて、追加媒体に対する送給弁４を閉じるようになっている必要がある。もちろん弁５内の第２ピストン面の領域も影響する。作動油分岐２３ａ、及び２３ｂ内の圧力は、追加媒体に対する前記送給回路内の圧力にしたがって選択し、密封流体分岐２３ａ内の圧力が、前記圧力を僅かに超え、例えば３０バールだけ大となり、かつ制御流体分岐２３ｂ内の圧力も十分となり、室９内に送給された時、室６内の追加媒体の圧力と共にばね１２の圧力を超え、弁４が開いて追加媒体の噴射を行うようにされる。
【００２９】
作動油の代わりに、弁４の制御は、弁部材５及び３０を機械的に連結し、制御弁２７の制御運動が、弁部材５に伝達されるようにすることができる。
【００３０】
本発明は前記実施例に制限されるものではなく、特許請求の範囲内において種種変形を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による噴射装置の１実施例の概略図。
【符号の説明】
２  弁体
３、４  弁
５  弁部材
５ａ  針部分
６  室
７  ピストン面
９  第２室
１０  ピストン面
１２  バネ
１３  容器
１４  フイルタ
１５  ポンプ
１６  ダンパ
１７  圧力調整装置
１８  フイルタ
２０  フローヒューズ
２２  油容器
２３  パイプ
２３ａ  密封流体分岐
２３ｂ  制御流体分岐
２４、２５  ポンプ
２６  分岐
２７  第２弁
２９  室
２９ａ、２９ｂ、２９ｃ  室の延出部分
３０  弁部材
３１  弁面
３２  座面
３３  バネ
３４  ソレノイド装置
３５  制御信号
３６  制御ユニット
３９、４１  オリフイス
４２  座面
４４  密封溝
４６  制御信号
４８  圧力調整装置
【図１】
0003837179.tif 000002