JP2004518072A - 高圧噴射システムにおける圧力脈動を緩衝するための装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、内燃機関の燃焼室に燃料を噴射するための装置であって、高圧補集室（３）に高圧下にある燃料を供給するポンプ（２）を有している形式のものに関する。高圧補集室（３）から高圧導管（４）がインジェクタ（５）へと延びていて、該インジェクタ内に、噴射ノズル（２４）に燃料を供給する調量弁（７）が設けられている。この調量弁（７）には緩衝絞り（２６）が配属されていて、この緩衝絞り（２６）は、高圧領域の一部に接続されている。

Description

【０００１】
技術分野
今日、通常の行程制御される噴射システムに対して選択的に、高圧リザーバ（コモンレール）を備えた圧力制御される噴射システムが開発されている。このシステムは、調量弁を有しており、この調量弁によってノズルを高圧導管から分離し、燃料噴射システムの低圧領域に接続する、またはノズルを高圧導管に接続し、燃料噴射システムの低圧領域から分離する。調量弁の切換により、高圧導管内に、圧力上昇をもたらす圧力波が生じる。これはノズルにおいて、例えば１３５０ｂａｒの高圧リザーバ室圧から、１８００ｂａｒの噴射ノズル圧を越えるまでの圧力上昇となる。
【０００２】
背景技術
内燃機関の燃料噴射のための圧力制御されるシステムにより、約１３５０ｂａｒの高圧リザーバ室圧で、内燃機関の個々の燃焼室内に突入する噴射ノズルでは約１８００ｂａｒおよびそれ以上の噴射圧が生じる。燃料噴射システムのポンプの比較的適度な圧力負荷で、ノズルにおいて高圧が実現される。
【０００３】
圧力制御されるリザーバ噴射システムは、主として高圧ポンプと、高圧リザーバ（コモンレール）と、内燃機関の１つの燃焼室につき１つの高圧導管とから成っている。この高圧導管は、高圧リザーバ（コモンレール）をノズル保持体組み合わせ体に接続する。内燃機関の燃焼室に噴射したい燃料体積の調量は、３ポート２位置切替弁、即ち調量弁によって行われる。この調量弁は、高圧導管とノズル保持体組み合わせ体との間に配置することができ、これにねじ締結されているまたはノズル保持体組み合わせ体に組み込まれている。
【０００４】
出発位置では、調量弁は噴射ノズルを高圧導管から分離しており、燃料噴射システムの低圧側に接続している。噴射は、調量弁として形成された３ポート２位置切替弁が、切換の際に噴射ノズルと高圧導管とを互いに接続させ、同時に、燃料噴射システムの低圧側への戻し導管を遮断することにより行われる。高圧捕集室内の約１３５０ｂａｒの圧力から約１８００ｂａｒの噴射圧への圧力上昇は、噴射ノズルもしくはノズルニードルを取り囲むノズル室への高圧導管が十分な長さであることにより達せられる。高圧導管における振動は、管状の導管壁と液体との間の摩擦によって僅かに緩衝されるだけである。さらに、欠点として挙げられるのは、高圧導管および調量弁の放圧されない領域で生じる高い圧力振幅が、燃料噴射システムのこの構成部分の耐用寿命に不都合に作用する恐れがあることである。
【０００５】
発明の開示
本発明により提案された手段により、緩衝絞りと緩衝弁とを配置することにより、燃料噴射システムの構成部分で高すぎる圧力振幅が生じる前に、燃料噴射システムの高圧側に生じる圧力振動が極めて迅速に緩衝される。導管システムの壁と、高圧下にある燃料との間の僅かな摩擦に基づき、圧力振動はできるだけ迅速に緩衝される。何故ならば、このシステムで、ここに形成される摩擦は緩衝のために十分ではないからである。本発明により構成されるリザーバ噴射システムで使用される緩衝ユニットの絞り横断面、長さ、直径は、調量弁（例えば３ポート２位置切換弁のような）の閉鎖後にインジェクタ内に存在する噴射のための過圧が十分に維持されるように寸法設定されている。
【０００６】
調量弁からの戻し導管は高圧リザーバに接続することができる。または調量弁から離れた、高圧導管の領域でこの高圧導管に開口している。この戻し案内は、常に有効である。または付加的な弁を介して、噴射位相中には休止しているように切り換えることができる。生ぜしめられる噴射圧は、緩衝導管によって不都合に減圧されることがないように保証されている。噴射中に生じる高圧のもとで、調量弁の閉鎖後に噴射システムにおける過圧および圧力振動が生じる。絞りエレメントの形状の、本発明により提案された緩衝エレメントを高圧領域に設けることにより、燃料噴射システムの構成部分の材料の早期疲労を引き起こすような作用を排除できる。
【０００７】
調量弁において、高圧補集室（コモンレール）内よりも高い圧力が生じると、絞りエレメントを介して燃料が戻し導管に流れる。調量弁における圧力が、高圧補集室（コモンレール）の圧力よりも小さいと、調量弁において圧力補償が行われるので、本発明により提案された燃料噴射システムは、圧力補償する傾向を有している。
【０００８】
本発明の思想を利用して、燃料噴射システムの個々のインジェクタへの高圧導管における差圧を十分に利用できる。この場合、インジェクタに通じる高圧導管は対になって、緩衝導管によって互いに接続される。高圧導管を互いに接続する緩衝導管には、始端部および終端部にそれぞれ、緩衝絞りの形状の緩衝エレメントが設けられている。緩衝導管は、インジェクタの形状とは無関係に高圧導管に接続されているので、インジェクタがほぼ変化なく維持でき、インジェクタの変更は行われない。
【０００９】
図面
次に図面につき本発明の実施例を詳しく説明する。
【００１０】
図１は、振動緩衝装置を備えた、燃料を噴射するための圧力制御される噴射システムの構成部分を示していて、
図２、図３は、緩衝機能を有したインジェクタ本体を異なる断面で、２つの横断面Ａ−ＡとＢ−Ｂとともに示した図であって、
図４ａ〜図４ｄは、振動・脈動緩衝装置を備えた圧力制御される噴射システムにおける行程経過および圧力経過を示す図であって、
図５ａ〜図５ｄは、振動緩衝装置を備えた、または備えていない圧力制御される燃料噴射システムにおける行程経過および圧力経過を示す図であって、
図６は、互いに接続されて配置されている高圧導管における緩衝導管の別の実施例を示す図であって、
図７は、本発明の解決手段による緩衝特性の対称表を示している。
【００１１】
実施例
図１には概略的な図で、内燃機関の燃焼室に、高圧下にある燃料を噴射するための圧力制御される第１の噴射システムの主要な構成部分が示されている。
【００１２】
図１の図面により、本発明により構成された燃料噴射システム１が明らかであって、この燃料噴射システム１は、燃料を例えば１３５０ｂａｒの圧力レベルに圧縮するポンプ２を有している。このような形式で圧縮された燃料は、高圧室３（コモンレール）へと吐出され、このコモンレール３内でこの高圧が継続的に維持される。高圧捕集室３からは高圧導管４がインジェクタヘッド５へと延びていて、このインジェクタヘッド５には噴射ノズル２４が形成されている。
【００１３】
インジェクタ５の上方の部分には電磁弁６が位置している。この電磁弁６は、例えば３ポート２位置切替弁として構成することができる調量弁７のための操作機構として構成されている。調量弁７によって、インジェクタ５のケーシングの内側の弁本体がほぼ鉛直方向に摺動可能であり、これによりノズル室２２へと延びる高圧導管１７に、高圧下にある燃料を供給することができる。
【００１４】
高圧捕集室３から延びる高圧導管４は高圧接続部８の領域で、インジェクタ５のケーシングへと開口している。
【００１５】
インジェクタ５のケーシングの内側の調量弁７から、戻し導管１０が延びている。この戻し導管１０には図１の実施例では緩衝弁１１が収容されている。緩衝弁１１は、押圧部材１３によって負荷される、逆止弁として働く球部材１２の側方に、ばねエレメント１４を有している。このばねエレメント１４を介して、分岐部９の閉鎖圧が調節される。この分岐部９は、一方では球体１２によって閉鎖可能であって、他方では、インジェクタ５のケーシングへと延びる高圧導管４に開口している。
【００１６】
緩衝弁１１から高圧捕集室３へと延びている戻し導管１０の領域に緩衝絞り１５が設けられている。この緩衝絞り１５の絞り横断面は、これによって、高圧噴射位相中に生じる、調量弁７における、即ちインジェクタ５のノズル室２２における高圧が損なわれないように寸法設定されている。捕集室３（コモンレール）への戻し導管１０に収容されている緩衝絞り１５により、高圧捕集室３における高圧のもとで、かつ噴射ノズル２４における噴射量が小さい場合に、閉鎖後に調量弁７において生じる過剰な圧力上昇が回避される。高圧下にある燃料が緩衝絞り１５を通って、高圧捕集室３へと、または接続部材を介して高圧導管４へと流出することにより、生じる過剰な圧力上昇は明らかに減じられる。これにより燃料噴射システム１で使用される構成部材への材料負荷は、許容範囲を超えず、ひいては耐用寿命が保証される。
【００１７】
完全性を期すために言及するが、調量弁７（３ポート２位置切替弁）からは、インジェクタ５のケーシングにおいて高圧導管１７がノズル室２２へと延びている。ばねエレメント２０はインジェクタ５のケーシング内の中空室１９に収容されている。ケーシング１９の内側でノズルニードルが延びている。ノズルニードル２３は段部の領域でノズル室２２によって取り囲まれている。ノズル室２２からは、ノズルニードルが、直径を減じさせつつ噴射ノズル先端２４まで延びている。ノズルニードル先端は、ノズル先端２４において座部２５へと移動する。座部２５は、噴射サイクルに応じて、ノズルニードル２３の鉛直方向の摺動により開閉される。
【００１８】
調量弁７から高圧捕集室３または高圧導管４への戻し導管１０に設けられている緩衝絞り１５は、常に作動させることができる。さらに、緩衝弁１１によっては、付加的な弁を介して戻される、戻し導管１０から高圧捕集室３への燃料戻し流が、緩衝弁１１を介して、噴射位相では緩衝弁１１によって減圧が行われないように調節することもできる。噴射が終わったら、緩衝弁１１は燃料噴射の終了後に再び開かれ、これにより制御された減圧が、高圧捕集室３または高圧導管４への戻し導管１０に設けられた絞りエレメント１５によって行われる。この位相位置ではこのようなことが十分に可能である。何故ならば、リザーバ室で継続的に存在している１３５０ｂａｒの圧力に比較して、調量弁においては１８００ｂａｒのオーダにある圧力が形成されるからである。
【００１９】
図２および図３では、本発明により構成された燃料噴射システムが異なる視点で詳しく示されている。この場合、図１のものとは異なり緩衝機能がインジェクタに組み込まれている。
【００２０】
図２にはインジェクタ５の第１の縦断面図が示されており、この場合、高圧接続部８に高圧供給導管４が位置しており、ここから緩衝絞り２６が調量弁７における弁室に開口している。調量弁７は孔２９，３３（図３参照）を介して高圧導管４に接続されている。調量弁７の制御体の開閉運動は、図２のインジェクタの構成では磁石弁６を介して行われる。ここに示した磁石弁６の代わりに、ピエゾアクチュエータまたは短い反応時間を実現する別の操作ユニットを使用することもできる。調量弁７からは、高圧供給導管１７が、ノズルニードル２３を環状に取り囲んでいるノズル室２２へと延びている。内燃機関の燃焼室に突入するノズルニードル２３の終端部には、噴射ノズル２４が位置している。インジェクタ５のケーシング内室１６には中空室１９が形成されていて、この中空室１９には圧縮ばね２０が収容されている。図２に示したインジェクタ５のケーシング１６の構成によれば、ケーシング１６とノズルニードル２３との間に、リング３２の形状のプレート状の分離エレメントが配置されている。この分離エレメントには接続溝３１が形成されている。この接続溝３１により、孔２９と孔３３との間が接続される。
【００２１】
図３では、インジェクタが、図２に対して僅かに回転された横断面位置で示されている。
【００２２】
この図面では接続孔３３が詳しく示されている。緩衝絞り２６は、供給導管における圧力振動を緩衝するために働く。このような圧力振動は高圧捕集室３と調量弁７との間の弁の迅速な開放により生じる。孔２９に流入する前の圧力は、調量弁７における圧力よりも高いまたは低い。この緩衝絞り２６によって、振動を所望のように緩衝する圧力補償が行われる。絞り２６は、過圧力が緩衝され過ぎないように設計されなければならない。しかしながら十分な緩衝は噴射位相の終了後に得られる。
【００２３】
燃料を調量弁７に高圧導管４から直接に供給するのではなく、孔２９，３３を介して迂回して供給される実施例では２つの利点が得られる。
【００２４】
噴射圧の経過にとって重要である、高圧捕集室３から調量点までの燃料経路の長さは、導管長さと、２つの孔２９，３３の長さとから成っている。この導管は、導管が２つの孔２９，３３を有していない場合よりも短く形成されている。さらに、緩衝絞り２６による記載したような緩衝機能をインジェクタに直接的に組み込むことができる。
【００２５】
図４ａ〜図４ｄには、図１に記載したような振動・脈動緩衝装置を備えた圧力制御される噴射システムの行程・圧力経過が詳しく示されている。
【００２６】
図４ａには、制御ピストン行程距離３４と緩衝行程３５とが時間軸に関して示されている。制御ピストン行程距離３４の発生後は、緩衝行程３５がゼロレベルに戻される。その下に示された図４ｂのグラフには、調量弁７の手前の圧力３６の経過と、位置符号３７を付与した曲線で示した調量弁７の後方の圧力経過とが詳しく示されている。図４ａの曲線３４で示した制御ピストンの運動により発動されて、調量弁７の開制御時に曲線３６で示したような著しい圧力上昇が起こる。これに対して調量弁７が再び閉じられると、曲線３７で示したようにゼロレベルに到るまでの著しい減圧が生じ、緩衝装置は３５で示したように再び上昇する。導管システムでは、図４ｂによる曲線３６のさらなる経過で示したように、緩衝された圧力振動が存在し続ける。図４ｃに示した曲線３８によると、ノズル室における圧力が、図４ｂの曲線３６で示した調量弁７の手前の圧力経過に応じて継続的に上昇することが示されている。最大の圧力は、曲線３８によれば、１６００ｂａｒを越えるノズル圧である。
【００２７】
図４ｄでは符号４０で、内燃機関の燃焼室への燃料の噴射率が示されている。インジェクタ５のケーシング１６におけるノズルニードル２３の、台形状に延びるニードル行程の間には、即ち、ノズルニードル２３の垂直方向運動時には、曲線４０のように経過する、内燃機関の燃焼室への噴射率が示されている。ノズルニードル２３は、曲線３８のようにインジェクタ５のケーシング１６におけるノズル室２２内の圧力がノズル開放圧を超過すると、噴射ノズル２４のノズル座２５をこれに従って正確に解放する。緩衝機能は、所望のように、図４ａで示した制御ピストン行程距離３４により明らかであるように行われ、噴射は中断される。
【００２８】
図５ａ〜図５ｄには、振動緩衝装置を有した圧力制御される噴射システムおよび振動緩衝装置を有さない圧力制御される噴射システムにおける圧力経過が詳しく示されている。図５ａによる制御ピストン行程運動３４の経過は、図４ａにおける曲線で示した経過にほぼ相当している。図５ｂには、燃料噴射システム１の導管システムにおける、調量弁７の閉鎖後の脈動が符号４１，４２で示されている。符号４１により、弱い摩擦によるほぼ緩衝されていない振動が示されている。これは緩衝絞りおよび緩衝弁を有さない燃料噴射システムの導管システムで生じる。符号４２により、これとは異なる圧力振動の経過が示されている。この圧力振動の経過は、曲線３４で示したような調量弁７の閉鎖後の２つの著しい過剰振動後に、ほぼ平坦で直線的に延びる曲線を有している。曲線４２によって示された圧力脈動を受ける導管システムにおける材料負荷は、曲線４１によって示された圧力脈動に伴う材料負荷とは明らかに異なる。噴射システムの耐用期間は、生じる噴射圧に著しく依存している。この噴射圧は、振動が緩衝されていない場合には、導管システムにおける噴射位相中に噴射ノズルで生じる圧力レベルにほぼ達する。しかしながらこのために、圧力制御された燃料噴射システムの導管システムは堅牢に設計されていない。さらに、燃料の正確な調量のために、先行する噴射による圧力振動は弱められなければならない。
【００２９】
図５ｃのグラフでは、図４ｃと同様に符号３８で、ノズル室内に形成される圧力の経過が示されている。これに対して符号４３，４４では、インジェクタケーシング１６における垂直方向でのノズルニードル２３の開閉速度が示されている。
【００３０】
図５ｄでは、ニードル行程運動３９時に生じる噴射率４０が示されている。
【００３１】
図６により、本発明により提案される燃料噴射システムのための緩衝システムの選択的な構成が示されている。高圧捕集室３（コモンレール）から、高圧供給導管４が個々のインジェクタ５へと延びていて、これらインジェクタ５の、ノズル側２４における端部は、内燃機関の燃焼室に突入している。図６によれば、２つのインジェクタ５への高圧導管４がそれぞれ対になって緩衝導管１０を介して互いに接続されている。緩衝導管１０のそれぞれ始端部および終端部には、緩衝導管１０の流れ横断面に入り込んだ絞り部材１５が設けられている。２つの高圧導管４の間に緩衝導管１０を受容するためには、これらの高圧導管４を、図６に示したような、緩衝導管１０を嵌め込むための接続部材（Ｔ字形部材）が設けられているように変更するだけでよい。図６の燃料噴射装置の構成によればインジェクタ５は変更されておらず、高圧捕集室３からインジェクタ５の高圧接続部８への供給導管が変更されているだけであって、インジェクタ５自体は変わっていない。この場合、重要な利点は、図６の緩衝導管１０が全ての高圧捕集室リザーバ型噴射システムにおいて使用可能であって、インジェクタに依存していないことである。インジェクタ５の１つが噴射されるとすぐに、インジェクタ５はその高圧導管４において圧力振動を生ぜしめる。これにより、緩衝導管１０を介して互いに接続された、そのインジェクタ５の高圧導管４の間で圧力の傾きが生じ、結果として緩衝導管における絞り部材１５′を介して補償された流れが生じる。このような液圧的な「短絡」により、各絞りエレメント１５′において振動エネルギが減衰され、振動が効果的に緩衝される。
【００３２】
図７により、図２および図３および図６に示した燃料噴射システムの実施例により生じる行程の経過および圧力の経過が明らかである。ダッシュで示していない符号は、図２および図３に示した燃料噴射システムの圧力の経過もしくは行程の経過に関連している。これに対して、ダッシュで示した同一の符号は、図６に示した構成の行程の経過および圧力の経過に関連している。
【００３３】
制御ピストン行程経過３４，３４′はほぼ同じであるが、符号４２もしくは符号４２′で示した振動の減衰に関する脈動の経過は互いに異なっている。燃料噴射システムの構成部分における符号４２′で示した圧力経過では、インジェクタ対５の２つの高圧導管４の短絡により振動が減衰されている。１０ミリ秒までの所定の時間後、システムにおける振動は、臨界的でない振幅になるので、規則的な振動状態と言うことができる。符号３７，３７′によって、図７および図１の構成で調量弁７の閉鎖後に生じる圧力経過が示されている。調量弁７の弁本体の開制御の終了後にすぐに、緩慢な緩衝作用に基づき導管システムにおいて最大の圧力脈動がなお生じる。
【００３４】
ノズル室に生じる圧力経過３８，３８′はほぼ同一であって、この場合、符号４３，４３′により、ノズル先端２４における噴射ノズルの開閉が示されている。
【００３５】
本発明により構成された噴射システムの２つの構成の噴射率４０，４０′はほぼ同一であって、この場合、ニードル行程距離３９，３９′は互いに僅かにずらされている。
【図面の簡単な説明】
【図１】
振動緩衝装置を備えた、燃料を噴射するための圧力制御される噴射システムの構成部分を示す図である。
【図２】
緩衝機能を有したインジェクタ本体を示す断面である。
【図３】
緩衝機能を有したインジェクタ本体を図２とは異なる断面で、２つの横断面Ａ−ＡとＢ−Ｂとともに示した図である。
【図４】
図４ａ〜図４ｄは、振動・脈動緩衝装置を備えた圧力制御される噴射システムにおける行程経過および圧力経過を示す図であある。
【図５】
振動緩衝装置を備えた、または備えていない圧力制御される燃料噴射システムにおける行程経過および圧力経過を示す図である。
【図６】
互いに接続されて配置されている高圧導管における緩衝導管の別の実施例を示す図である。
【図７】
本発明の解決手段による緩衝特性の対称表を示す図である。

Claims (8)

1. 内燃機関の燃焼室へ燃料を噴射するための装置であって、高圧捕集室（３）に、高圧下にある燃料を供給するためのポンプ（２）が設けられており、前記高圧捕集室（３）からは高圧導管（４）がインジェクタ（５）へと延びており、このインジェクタ（５）内には、燃料調量のための弁が設けられている形式のものにおいて、
   該弁の手前に緩衝絞り部材（２６）が設けられており、該緩衝絞り部材（２６）が、戻し導管（１０）を介して、または直接的に、高圧領域（４）の別の部分に開口していることを特徴とする、内燃機関の燃焼室へ燃料を噴射するための装置。
2. 戻し導管（１０）が高圧捕集室（３）に開口している、請求項１記載の装置。
3. 戻し導管（１０）が、インジェクタ（５）への高圧供給導管（４）に開口している、請求項１記載の装置。
4. 戻し導管（１０）が、緩衝絞り（１５）と緩衝弁（１１）とを有している、請求項１記載の燃料を噴射するための装置。
5. 緩衝弁（１１）が、ノズル側の圧力によって、調量弁（７）の後方で閉鎖される、請求項４記載の装置。
6. 調量弁（７）における緩衝絞り（２６）が、高圧導管（４）に開口している、請求項１記載の装置。
7. 高圧導管（４）の緩衝導管（１０）の始端部および終端部に、絞り部材（１５´）が収容されている、請求項６記載の装置。
8. 緩衝部材（１５，１５′）が、燃料噴射システム（１）の高圧部分に収容されている、請求項１記載の装置。