JP2005518499A - 燃料噴射システム - Google Patents

Abstract

内燃機関のための燃料噴射システム（１）が、燃焼室（２）に突入する燃料噴射弁（１０）を有しており、この場合に、燃焼室（２）が、シリンダ壁（３）とシリンダヘッド（４）とにより限定されており、かつシリンダ壁（３）内を案内されたピストン（６）を有している。点火プラグ（７）が燃焼室（２）に突入している。燃料噴射弁（１０）が、噴射開口（２２；３７）と、この噴射開口（２３；３７）の流入側に配置された渦流装置（２３；６０）とを有している。燃料噴射弁（１０）により燃焼室（２）内に噴射される混合気雲（８，９）の開度（α）が、燃料噴射弁（１０）の渦流装置（２３；２７）に供給される燃料の圧力の変化により変更可能である。

Description

従来技術
本発明は、請求項１の上位概念部に記載の燃料噴射システムに関する。

ドイツ連邦共和国特許第１９６４２６５３号明細書につき、点火可能な燃料−／空気混合気を形成する方法が既に公知である。直接噴射式の内燃機関のシリンダ内には、点火可能な燃料−／空気混合気が形成可能である。この場合に、ピストンにより限定されたそれぞれの燃焼室には、インジェクタにより、ノズル開口を有する弁座から弁部材が持ち上がることによりノズル開口が解放された場合に、燃料が噴射される。内燃機関の全ての運転条件の中でも、とりわけ層状運転時には、特性曲線全体のそれぞれの運転時点で消費及び放出最適化された内部の混合気形成を可能にするために、弁部材の開放ストロークと噴射時間とが可変に調節可能になっている。

ドイツ連邦共和国特許第３８０８６３５号明細書につき、混合気圧縮式の内燃機関のシリンダ内に燃料を直接に噴射するための燃料噴射装置が公知である。この燃料噴射装置は燃料噴射弁を有しており、この燃料噴射弁は、シリンダ壁に、シリンダヘッドに対して間隔を置いて、排出開口に向かい合って配置されている。この場合に、燃料噴射弁の放射軸線は、シリンダヘッドに配置された点火プラグを中心とした領域に向けられている。この燃料噴射弁は、噴射流の渦流を形成するためのらせん状の渦流溝を有する電磁操作式の弁ニードルを有している。この燃料噴射弁の放射軸線は、シリンダヘッド中央に配置された点火点に向けられている。

さらに、米国特許第５９４１２０７号明細書につき、混合気圧縮火花点火式内燃機関の燃焼室に燃料を噴射するための装置が公知である。この装置では、燃料は所定の開始角度下に円錐状に燃焼室内へ噴射される。この場合、噴射された燃料は燃焼室を円錐状に充たし、壁湿潤の効果はほぼ抑圧される。比較的平坦に形成されたピストンが、噴射された燃料雲を圧縮段階の間に球状に変形させる。球状の混合気雲は、供給された空気と極わずかにしか混ざり合わず、さらなる圧縮時に点火プラグの火花ギャップに案内される。

ドイツ連邦共和国特許公開第１９８２７２１９号明細書につき、内燃機関のための燃料噴射弁が公知である。この燃料噴射弁は燃料噴射流調節板を有している。この燃料噴射流調節板は第１のノズル孔を有しており、これらの第１のノズル孔は、弁体の中心軸線に対して同軸的な第１の円領域に沿って配置されている。さらに第２のノズル孔が存在しており、これらのノズル孔は、同じく中央軸線に対して同軸的な第２の円領域に沿って配置されており、かつ第１の円領域の直径よりも大きい直径を有している。第２のノズル孔のそれぞれの孔軸線と、弁体の中心軸線に対して鉛直な基準平面とは鋭角をなしている。この角度は、第１のノズル孔のそれぞれの孔軸線と基準面とにより形成される角度よりも小さい。それ故、第１のノズル孔を介して噴射される燃料噴霧は、第２のノズル孔を介して噴射される燃料噴霧から離れるように向けられている。結果として、ノズル孔の種々異なった円領域により噴射される燃料噴霧が互いに妨害し合わない。

上に述べた明細書につき公知の、混合気圧縮火花点火式の内燃機関の燃焼室に燃料を噴射するための方法若しくは装置において不利なのは、特に複雑な燃焼室幾何学である。この燃焼室幾何学は、噴射された燃料を、供給された空気と混合し、点火可能な燃料−／空気混合気を形成し、この燃料−／空気混合気を点火のために点火プラグの火花ギャップの近傍へ搬送する必要があることである。このような燃焼室幾何学は、一方では製造が難しく、他方では、燃焼が、酸化窒素の排出及び燃料の消費に関して最適化され得ない。

さらに多くの場合には、点火プラグは燃料噴射弁により直接に噴射される。これにより、点火プラグは、一方では強い熱的な衝撃負荷にさらされ、他方では、煤が点火プラグ電極に堆積する。これにより、点火プラグの耐用寿命は著しく制限されてしまう。

特にドイツ連邦共和国特許公開第１９８２７２１９号明細書につき公知の燃料噴射弁は、種々異なった噴射角により燃焼室内に噴射された燃料の大部分が燃焼室の壁若しくはピストンに衝突し、そこで冷却され、ひいては高い損失燃料放出若しくは煤発生下にしか燃焼され得ないという欠点を有する。

本発明の利点
請求項１に記載の特徴を備えた本発明による燃料噴射システムは、これに対して次のような利点を有している。すなわち、内燃機関の燃焼室内に噴射された混合気雲が、意図的な圧力変更により、燃料噴射弁の渦流エレメントの前で影響され得るようになっており、これにより、混合気雲は、噴射過程の終了時にのみ点火プラグに達する。

従属請求項に構成された手段により、請求項１に記載の燃料噴射システムの有利な発展形が可能である。

特に、圧力制御が簡単な形式で、燃料噴射弁と圧送ポンプとの間に設けられた２ポート２位置切換弁と絞り箇所との組合せにより得られることは有利である。２ポート２位置切換弁の切換位置に応じて、圧力低下が渦流エレメントの手前で達成され得る。

有利には、燃料噴射弁の弁ニードルがシール座に載着する前に制動されることにより、圧力制御を達成することもできる。なぜならば、これにより、同様に絞り、ひいては混合気雲の開度αの引き続く拡大を伴った圧力低下が可能となるからである。

本発明の実施例を図面に概略的に示し、以下の説明においてさらに詳しく解説する。

図１は、混合気圧縮火花点火式内燃機関１のための、本発明による燃料噴射システムの実施例の部分的な概略横断面図を示している。

燃料噴射システム１が燃焼室２を有している。この燃焼室２は、シリンダ壁３と、尾根状斜面（Ｆｉｒｓｔｓｃｈｒａｅｇｅｎ）５を有するシリンダヘッド４と、ピストン６とによって限定されている。点火プラグ７が、例えば側方から燃焼室２内に突入するように配置されている。燃料噴射弁１０が、前記尾根状斜面５の間に次のように配置されている、すなわち、燃料が、例えば円錐状の混合気雲８，９の形で燃焼室２内に噴射されるように配置されている。

混合気雲８，９、並びに点火プラグ７の直接的な噴射の化学量論に関連して上に述べた欠点を取り除くためには、燃料噴射システム１は本発明により次のように設計されている、すなわち、燃料噴射弁１０が様々な燃料圧により運転され得るように設計されている。このような手段により、まず大きい通過率とわずかな開度αとを有する第１の混合気雲８が燃焼室２内に形成され得る。かつ燃料噴射弁１０の閉鎖過程の間には、短時間に、より大きい開度αを有する第２の混合気雲９が形成される。この第２の混合気雲９は、点火プラグ７の電極の領域を通過し、これにより、点火可能な混合気を点火プラグ７の火花ギャップへ搬送する。この運転形式のために適した燃料噴射弁１０の実施例を図２Ａ及び図２Ｂに示し、以下に説明する。

図２Ａは、本発明により形成された燃料噴射システム１で使用するために適した燃料噴射弁１０の第１実施例の概略的な部分横断面図である。

この場合、燃料噴射弁１０は直接噴射式の燃料噴射弁１０の形式で構成されている。この燃料噴射弁１０は、混合気圧縮火花点火式内燃機関の燃焼室２に燃料を直接的に噴射するために働く。燃料噴射弁１０は、流入側の端部１１に燃料分配導管１２への差込み接続部を有している。この燃料分配導管１２は、燃料分配導管１２と、燃料噴射弁１０の流入管片１４との間に設けられたシール１３によりシールされている。燃料噴射弁１０は、燃料噴射弁１０を操作するための電気的な接触のための電気的な接続部１５を有している。燃料噴射弁１０は、少なくともシリンダヘッド４を越えて突出した部分に、プラスチック被覆部１６を有している。このプラスチック被覆部１６は、電気的接続部１５をも取り囲んでいる。

燃料噴射弁１０は、さらに詳しく述べていない手段、例えばクランプ（Ｓｐａｎｎｐｒａｔｚｅ）によって、シリンダヘッド４に位置決めされており、ねじれに対して保護されている。収容孔１７には、燃料噴射弁１０をセンタリングし、支承するためのエラストマリング１８が設けられている。燃料噴射弁１０のノズル体１９にはシールリング２０が設けられており、このシールリング２０は、燃料噴射弁１０を内燃機関のシリンダヘッド４に対してシールしている。燃料噴射弁１０の弁座体２１には、少なくとも１つの噴射開口２２が形成されており、この噴射開口２２を通って燃料が燃焼室２に噴射される。弁座体２１の流入側には、渦流装置２３が配置されている。この渦流装置２３は、例えば円板状に構成されていてよい。渦流装置２３は案内エレメント２３ａと渦流円板２３ｂとを有している。この渦流円板２３ｂは、案内エレメント２３ａと弁座体２１との間に配置されている。渦流円板２３ｂは渦流室２４を有している。この渦流室２４は、弁ニードル３０により貫通係合されている。

燃料分配導管１２は燃料導管２５に続いており、この燃料導管２５には、例えば絞り箇所２６と、２ポート２位置切換弁２７とが互いに平行に挿入されている。圧送ポンプ２８によってタンク２９から圧送された燃料が、２ポート２位置切換弁２７の切換位置に応じて、絞られずに２ポート２位置切換弁２７を貫流するか、又は絞り箇所２６を貫流し、これにより、燃料噴射弁１０の渦流装置２３の前に種々異なった圧力が印可される。

燃料噴射弁１０が操作されると、弁ニードル３０が弁座体２１から持ち上がり、これにより、燃料が渦流円板２３ｂを通って渦流室２４内へ流入する。渦流室２４の容積に基づいて、燃料噴射弁１０の開放後に、渦流室２４及び噴射開口２２に、渦流室２４内の流れ速度により規定された周速が得られるまでには幾らかの時間を要する。渦流が完全に形成された場合に燃料流入が減じられると、まず、高い周速を備えたまだ強い渦流の燃料が、渦流室２４からわずかな軸線方向速度で流出する。この場合、短時間に、噴射された混合気雲９のより大きい開度αが得られる。強い渦流の燃料容積が流出してしまうと、混合気雲８の開度αは再び小さくなる。

本発明の第１実施例では、２ポート２位置切換弁２７及び平行な絞り箇所２６を配置することにより、燃料圧の低減が得られる。図２に示したように、２ポート２位置切換弁２７が開放位置に位置している場合、燃料圧は低減されずに渦流装置２３の前に滞留している。２ポート２位置切換弁２７が閉じられると、燃料は絞り箇所２６を通って流れる。このことは、渦流装置２３の手前で圧力低下をもたらす。

図２Ｂは、本発明により形成された燃料噴射システム１で使用するために適した燃料噴射弁１０の第２実施例の横断面図を示している。明瞭さを保つために、第１実施例の符号とは一致しない新しい符号が挿入されている。

燃料噴射弁１０はノズル体３２から成っており、このノズル体３２には弁ニードル３３が配置されている。この弁ニードル３３は弁閉鎖体３４と作用結合しており、この弁閉鎖体３４は、弁座体３５に配置された弁座面３６と共にシール座を形成するように協働している。この燃料噴射弁１０の場合、この実施例では内側方向に開放された燃料噴射弁１０であり、この燃料噴射弁１０は噴射開口３７を有している。ノズル体３２は電磁コイル４０の外極３９内に延びている。電磁コイル４０はコイルケーシング４１内にカプセル状に収容されており、コイル担体４２に巻き付けられている。このコイル担体４２は電磁コイル４０の内極４３に接触している。内極４３と外極３９とは、狭隘部５６により互いに分離されており、非強磁性の結合構成部材５９によって互いに結合されている。電磁コイル４０は、導体４９を介して、電気的な差込み接点４７を介して供給可能な電流により励磁される。差込み接点４７は、内極４３に射出成形されていてよいプラスチック被覆部４８により取り囲まれている。

弁ニードル３３が、スリットの入ったストッパ円板６３内を案内されている。このストッパ円板６３は環状に可動子５０に構成されている。可動子５０自体は、環状のカラーの形で可動子５０に形成された案内リング４４によって、結合構成部材５９内を案内されている。ストッパ体４５は、軸方向に可動に弁ニードル３３に配置されている。ストッパ体４５の一方の側には、ばね３８が支持されており、かつ他方の側にはフランジ５１が配置されている。電磁コイル４０の内極４３及び外極３９と協働する可動子５０は、フランジ５１と一体的に構成されており、溶接継目５２により弁ニードル３３に結合されている。可動子５０には、戻しばね５３が支持されている。この戻しばね５３は、燃料噴射弁１０の本発明の構成形式では、スリーブ５４によってプレロード（予荷重）をかけられている。中央の燃料供給部４６を介して供給される燃料は、中空シリンダ状に形成された弁ニードル３３並びにこの弁ニードル３３に設けられた孔５５を通って噴射開口３７へ案内される。燃料噴射弁１０はシール５８によって燃料分配導管（本実施例ではさらに詳しく述べない）に対してシールされている。

弁座体３５の流入側には、渦流エレメント６０が配置されている。この渦流エレメント６０は、案内エレメント６０ａと渦流円板６０ｂとを有している。弁ニードル３３は渦流エレメント６０を、例えば渦流室６１の領域で貫通係合する。この渦流室６１は、第１実施例の場合と同様の機能を果たす。

燃料噴射弁１０の開放時には、可動子５０は戻しばね５３の力に抗して内極４３へ引き寄せられる。これにより、弁ニードル３３も開放方向にシール座から持ち上げられる。ストッパ体４５は、ばね３８の力によって同様に開放方向に、スリットの入ったストッパ円板６３に当接するまで運動せしめられる。

燃料噴射弁１０の閉鎖時には、可動子５０は部分ストロークの走行後にストッパ体４５当接する。これにより、弁ニードル３３の閉鎖運動は短時間に制動されるか、又は静止状態までももたらされる。シール座で流れが絞られることにより燃料流が減じられ、これにより、短時間、噴射された混合気雲８，９の開度αが拡大される。可動子５０がストッパ体４５に当接したのちに、可動子５０とストッパ体４５と弁ニードル３３とは共に閉鎖方向に、閉鎖体３４が弁座弁３６に載着されるまで運動する。次いで、ストッパ体４５は、さらなる経過で弁ニードル３３に対して振動し、ノズル体３２に当接する。最後には、ばね３８がストッパ体４５をさらに負荷し、これにより、ストッパ４５体はフランジ５１に当接する。

第１実施例のように、渦流室６１の容積に基づいて、燃料噴射弁１０の開放後には、渦流室６１及び噴射開口３７に、渦流通路６２の流れ速度によって規定された周速が得られるまでには幾らかの時間を要する。渦流が完全に形成された場合に燃料供給が低減されると、噴射開口３７を介して、まず高い周速を備えたまだ強い渦流の燃料が、渦流室６１からわずかな軸方向速度で流出し、この場合、短時間に、噴射された混合気雲９のより大きい開度αが得られる。強い渦流の燃料容積が流出してしまうと、混合気雲８の開度αは再びより小さくなる。

例えば圧電式又は電磁式に操作可能な燃料噴射弁１０では、次のことにより、すなわち、新たな通電により閉鎖過程の間に弁ニードル３０が部分ストローク位置に保持され、これにより、シール座における流れの絞りが生じ、これにより貫流が低減され、混合気雲８，９の開度αが短時間、拡大されることにより、短時間の持続電流によっても望ましい効果を得ることができる。

図３は上に述べた効果を説明するために、燃料噴射弁１０の噴射開口２２を離れる燃料噴射流の速度成分の概略図を示している。開度αは、燃料流の周速と軸方向速度との比率に関連しているので、所定の軸方向速度で周速が高い場合には、混合気雲８，９の開度αも同様により大きい。この場合、次の式、ｔａｎα＝ｕ／Ｖ_ａｘが成り立つ。この場合、ｕは燃料の周速、ｖ_ａｘは燃料の軸方向速度を示している。図３では、ｒ_ｉは噴射開口２２の直径、ｚは時間ｔ後に進んだ軸方向距離、Δｒは時間ｔ後に進んだ総距離、ｒ_ｉ−δ／２は、Δｒの半径方向の成分を意味する。

本発明は、上に述べた実施例に限定されるものではなく、外側方向に開放された燃料噴射弁１０、及び内燃機関のシリンダヘッド４に設けられた点火プラグ７及び燃料噴射弁の種々異なった配置ために使用可能である。

本発明による燃料噴射システムの１実施例を燃焼室に形成された混合気雲と共に示す長手方向横断面図である。

本発明による燃料噴射システム内で使用するために適した燃料噴射弁の第１実施例を示す部分横断面図である。

本発明による燃料噴射システム内で使用するために適した燃料噴射弁の第１実施例を示す横断面図である。

燃料噴射弁からの流出時の燃料の速度成分を示す概略図である。

Claims (13)

1. 内燃機関のための燃料噴射システム（１）であって、燃焼室（２）内に突入した燃料噴射弁（１０）が設けられており、燃焼室（２）が、シリンダ壁（２）とシリンダヘッド（４）とにより限定されており、かつピストン（６）が設けられており、該ピストン（６）が、シリンダ壁（３）内を案内されており、かつ燃焼室（２）内に突入した点火プラグ（７）が設けられており、燃料噴射弁（１０）が、噴射開口（２２；３７）並びに該噴射開口（２２；３７）の流入側に配置された渦流装置（２３；６０）を有している形式のものにおいて、燃料噴射弁（１０）により燃焼室（２）内に噴射される混合気雲（８，９）の開度（α）が、燃料噴射弁（１０）の渦流装置（２３；６０）に供給される燃料の圧力の変化によって変更可能であることを特徴とする、燃料噴射システム。
2. 開度（α）が、燃料噴射弁（１０）の渦流装置（２３，６０）に供給される燃料の圧力の低減により拡大可能である、請求項１記載の燃料噴射システム。
3. 燃料噴射弁（１０）の燃料供給管片（１４）が、燃料導管（２５）に接続されており、該燃料導管（２５）内に、燃料が、圧送ポンプ（２８）によりタンク（２９）から圧送される、請求項１又は２記載の燃料噴射システム。
4. 燃料噴射弁（１０）と圧送ポンプ（２８）との間に設けられた燃料導管（２５）内に、絞り箇所（２６）と弁（２７）とが配置されている、請求項３記載の燃料噴射システム。
5. 弁（２７）が、２ポート２位置切換弁（２７）の形で形成されており、該２ポート２位置切換弁（２７）が、開放位置と閉鎖位置とを取ることができる、請求項４記載の燃料噴射システム。
6. ２ポート２位置切換弁（２７）の開放位置で、燃料が、２ポート２位置切換弁（２７）により絞られずに、燃料噴射弁（１９）へ流れる、請求項５記載の燃料噴射システム。
7. ２ポート２位置切換弁（２７）の閉鎖位置で、燃料が、絞り箇所（２６）を通って燃料噴射弁（１０）へ流れる、請求項５又は６記載の燃料噴射システム。
8. 燃料噴射弁（１０）の渦流装置（２３）に印可される燃料圧が、２ポート２位置切換弁（２７）の切換位置に関係している、請求項５から７までのいずれか１項記載の燃料噴射システム。
9. 圧力低下が、燃料噴射弁（１０）の渦流装置（６０）の手前で、燃料噴射弁（１０）の閉鎖時に弁ニードル（３３）を制動することにより達成可能である、請求項１又は２記載の燃料噴射システム。
10. 弁ニードル（３３）が、閉鎖過程で、可動子（５０）の流出側で弁ニードル（３３）に配置されたストッパ体（４５）に当接する、請求項９記載の燃料噴射システム。
11. ストッパ体（４５）が、軸方向に摺動可能に弁ニードル（３３）に配置されている、請求項１０記載の燃料噴射システム。
12. 可動子（５０）が、弁ニードル（３３）に溶接されたフランジ（５１）を介して、ストッパ体（４５）と作用結合している、請求項１１記載の燃料噴射システム。
13. ストッパ体（４５）が、ばね（３８）を介して、燃料噴射弁（１０）のノズル体（３２）で支持される、請求項９から１２までのいずれか１項記載の燃料噴射システム。

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