JP2005529266A - 機械的な強制制御部を備えた燃料噴射弁 - Google Patents

Abstract

本発明は特に燃料噴射弁（１）ならびに燃料を内燃機関の燃焼室（５）内に噴射する方法に関する。本発明では、燃料の噴射を実施するために、燃料噴射弁（１）のノズルニードル（７）のための機械的な強制制御部（２，３；１８）が設けられているようにした。

Description

本発明は燃料を機関の燃焼室内に噴射するための燃料噴射弁ならびに燃料噴射を制御する方法に関する。

燃料噴射弁は背景技術から種々異なる構成で知られている。現代の燃料噴射弁はしばしば蓄圧式噴射装置との関連で使用される。蓄圧式噴射装置は高圧下にある燃料を蓄えるために圧力アキュムレータを有している。この圧力アキュムレータから、内燃機関の個々の燃焼室に対応配置されたインジェクタに燃料が供給される。その際、圧力アキュムレータへの燃料供給は高圧ポンプを介して実施される。今日の内燃機関は、排出ガス規制値、燃費、騒音等に関する全ての要求をあらゆる特性マップ点で満たすために、噴射時間にわたっての噴射量の、正確に定義された経過を必要とする。公知の燃料噴射弁では、所定の圧力時に、ノズル噴射孔を通る体積流量、ひいては単位時間当たりの、噴射される燃料量は、ノズルニードルがその都度のニードルストロークに依存して開放する横断面により規定される。したがって、圧力が予め決まっているのであれば、その都度要求される通流量のためには、相応に所属の、正確に定義されたノズルニードルストロークが存在する。それにより、所定の体積流量を生ぜしめるために、ノズルニードルは所定のストローク値に調節されねばならない。所定の、形成された噴射経過を実施するためには、ノズルニードルを１回の噴射サイクル内で、正確に定義された複数の位置に持ち上げ、場合によってはそれだけではなく再び下降させねばならない。ただし、今日公知の燃料噴射弁では、２つの正確に定義されたニードル位置、すなわちゼロ（弁の閉鎖）およびフルストローク（弁の完全な開放）が存在するにすぎない。それゆえ、２つの正確に定義された通流量、すなわち、まったく通流がない場合と最大の通流がある場合とが可能であるにすぎない。

これらの両極端の間にある全ての通流量値は常に大体でしか達成され得ない。それというのも、公知の噴射弁の場合、相応のニードルストロークが極めて不正確に圧力変調により調節され得るにすぎないからである。この場合、ノズルニードルはハイドロリック式のクッション上に「馬乗り」になっていて、これにより、ノズル内に存在する圧力波および圧力変動を被る。しかし、このことにより、噴射量を正確に制御するために必要な、正確に定義されたニードルストロークストッパの代わりに、ノズルニードルの、おおよその弾道学的な滞在箇所が生じるにすぎない。ここから結果的に、強くばらついていて再現するのが極めて困難な、おおよその噴射量が生じる。このことは最適とは言い難い燃焼経過につながり、ひいてはエミッション結果、騒音結果、燃費結果の悪化につながる。

燃焼室への燃料流を制御するための、最近知られている方法の場合、燃料流は常に間接的にのみ制御される。すなわち、ノズルニードルの制御は間接的にのみ、ハイドロリック式のサーボ回路を介して実施される。しかしながらこの場合、燃焼室内への燃料の、時間的かつ量的な調量はこのサーボ液圧系の極めて多数の影響因子に依存しており、相応に強くばらつきを有する。このことはやはり機関内での燃焼の質に対して不都合に働く。特に、サーボ弁のデジタルな切換（開閉）により、噴射経過の正確な形成を実施することは不可能である。特に、ノズルニードルが噴射中にその両極端位置の間にある、下側の部分負荷域で、ノズルニードルの、定義されない位置は、強くばらついた、再現不能な噴射量につながる。同様の問題を、今日やはり公知のユニットインジェクタシステムも抱えている。それというのも、ユニットインジェクタシステムも同様に間接的にのみ、リリーフ制御弁における圧力変調を介してノズルニードルを開放もしくは閉鎖することができるからである。

それゆえ、本発明の課題は、燃料を内燃機関の燃焼室内に噴射するための燃料噴射弁ならびに燃料噴射する方法を改良して、ノズルニードル開放位置の、正確に定義可能な到着が可能であり、かつ容易に再現可能であるようにすることである。

この課題は独立請求項により解決される。単独でまたは互いに組み合わせて使用され得る有利な構成および変化形は従属請求項の対象である。

本発明による、燃料を内燃機関の燃焼室内に噴射するための燃料噴射弁は、燃料噴射弁のノズルニードルが機械的に強制制御されるように構成されている。ノズルニードルの機械的な強制制御は、ノズルニードルの両極端位置、すなわち完全な開放と完全な閉鎖との間での任意の位置の、定義された到着を可能にする。それにより、機械的な強制制御部はその都度１つのストッパをノズルニードルのために提供するので、常に、定義された燃料量が燃焼室内に噴射されることができる。機械的な強制制御部により、燃料の噴射も簡単な形式で再現可能である。それにより、機械的な強制制御部を適当に形成すること、すなわち機械的な強制制御部の幾何学形状により、燃料噴射の経過が形成されることができる。それにより、本発明で、機械的な強制制御部と燃料噴射弁とを組み合わせることによって、機械的な制御部材の、ノズルニードルとの直接的な連結が実施される。この強制連結に基づいて、ノズルニードルのために自由度はもはや存在しない。それというのも、ノズルニードルは機械的な制御部材に追従しなければならないからである。これにより、当業者にとっても驚くほど簡単に、特に噴射される燃料の圧力とは無関係な、ノズルニードルの、正確かつ再現可能な強制制御が実現され得る。その際、機械的な強制制御部は簡単に構成されており、かつ比較的安価に提供されることができる。さらに、機械的な強制制御部のために必要な組み付けスペースは僅かであるにすぎない。さらに、本発明による組み合わせは燃料噴射弁の構造も簡単化する。それというのも、機械的な制御部材とノズルニードルとの間の機械的な結合が必要であるにすぎないからである。それゆえ、本発明は驚くほど簡単な形式で燃料噴射の正確な形成を可能にし、それにより、内燃機関の排出ガス規制値、燃費ならびに騒音に関してポジティブな効果を及ぼすことができる。

有利には、機械的な強制制御部が、ノズルニードルの開放および／またはノズルニードルの閉鎖のために設けられている。機械的な強制制御部がノズルニードルの開放のためにも閉鎖のためにも使用されるべき場合、これは有利には、例えば第１のロッカーアームが開放のために、かつ第２のロッカーアームが閉鎖のために設けられているデスモドローミック式のノズルニードル制御部により構成されることができる。デスモドローミック式の弁制御部により、ノズルニードルは高回転数でも迅速に広く開放されることができ、希望通りの長さで開弁したままとどまることができ、その後、ノズルニードルは迅速であるがソフトに、つまり正確に再び閉鎖される。すなわち、大きなストローク時においても、長い制御時間を必要としない。これにより、低回転数から中回転数における機関特性に対するポジティブな効果が生じる。それというのも、ノズルニードルが即座に機械的な制御部材の規定量に反応すると共に、ばねによる弁の開放もしくは閉鎖時の、動的なばね／質量関係のために回転数に依存して遅れて追従することが多かれ少なかれなくなるからである。機械的な強制制御部がノズルニードルの開放のためだけもしくは閉鎖のためだけに使用されるべき場合、その都度の運動は有利にはばねのばね力に抗して実施され、それとは逆向きの運動、すなわち閉鎖もしくは開放はその場合ばねにより実施される。

本発明の有利な構成では、機械的な強制制御が直接的または間接的に（機械的な結合エレメントを介して）カムシャフトまたはカーブディスクまたはカーブガイドにより実施される。強制制御のための、この機械的な可能性において、もちろん、機械的な部材、例えばロッカーアーム、スイングアーム、ドラッグアームまたはバケットタペットの介在により、ストロークの力変換および／または変位変換が実施されてもよい。

有利にはさらに、弁遊び（バルブクリアランス）の補償を可能にするために、例えばハイドロリック式に弁遊び補償を行う弁遊び補償エレメントが設けられている。

本発明の別の有利な構成では、機械的な強制制御部が三次元的に形成されている。これにより、簡単な形式で、異なるストローク運動への適合も実現されることができる。機械的な強制制御部が三次元的に形成される場合、機械的な制御エレメント（カムシャフト、制御ディスクまたはカーブガイド）が第三次元で形成されている。その結果、軸方向のシフトにより、その都度の機関状態に適合された異なるノズルニードル開放経過が構成され得る。例えばより高い回転数のために、もはや必要とされないパイロット噴射はこれにより、付加的なメイン噴射および／またはポスト噴射にとって有利になるように形成されることができる。それにより、機械的な制御カーブの第三次元により、内燃機関の負荷および回転数に応じて、相応に最適なニードルストローク経過を定義することも可能である。

有利には、カムシャフトとして形成された機械的な制御エレメントの場合、内燃機関の全ての燃料噴射弁のための駆動が直接唯一のカムシャフトを介して行われる。このカムシャフトは有利にはやはり直接内燃機関により駆動される。この種の構造は、機関構造が明らかに簡単かつ単純に構成され得るという決定的な利点を有している。この場合、ノズルニードルの機械的な強制制御のために、小さな力が必要であるにすぎない。さらに、各噴射弁のノズルニードルの駆動は直接的な連結により機関回転数に最良に同期化されている。

本発明の別の有利な構成では、燃料噴射ノズルの駆動が、例えば電動モータにより駆動される別個のカムシャフトを介して実施される。ただしこの場合は、機関回転数との同期化を図るために、相応のセンサおよび作動部材が設けられねばならない。しかしながら、この変化形の場合、特に制御カーブ（三次元）を機関状態に適合するための、カムシャフトの軸方向シフトが簡単に実施可能であることは有利である。

本発明の別の有利な構成では、各燃料噴射弁のために、組み込まれた個別駆動部を備えた別個の機械的な強制制御部が設けられている。このことにより、各燃料噴射弁の個別的な適合が可能になる。しかしながら、このことは相応に手間がかかることを意味している。それというのも、各燃料噴射弁のために、相応の駆動部を備えた機械的な制御カーブが組み込まれなければならないからである。

一般に、機械的な強制制御部のための駆動部として、例えば電動モータ、電磁石、ピエゾアクチュエータ、ハイドロリック式駆動部および／またはばね機構が適していることを指摘しておく。さらに、回転型の機械的な制御カーブ（カムシャフト、制御ディスク）の場合、回転型の制御エレメントの回動により、制御カーブは簡単に位置調節されることができる。並進型の制御エレメント（直動型の制御カーブ）の場合、駆動部として、例えばソレノイド、ピエゾアクチュエータ、ハイドロリックピストンおよび／またはニューマチックピストンが使用されることができる。それにより、共通して言えることは、燃料噴射はその都度の機械的な制御エレメントの位置調節により調節されることができる。その際、位置調節は制御エレメントの回動および／または軸方向シフト（三次元的な制御エレメントの場合）により実施されることができる。

特に有利には、本発明による燃料噴射弁は蓄圧式噴射システム、例えばコモンレールシステムとの組み合わせで使用される。それというのも、蓄圧式噴射システムでは、圧力発生と蓄圧とが別個のコンポーネントにより請け負われるからである。その際、ノズルニードルの制御が有する唯一の課題は、蓄圧式噴射システムの圧力アキュムレータ内にかかっている圧力に関連して、噴射される燃料量を、時間に関連して定義することだけである。さらに、圧力アキュムレータはコンスタントな圧力の維持を可能にするので、燃料噴射は弁を本発明により強制制御することにより、最高の精度でもって実施され得る。

燃料噴射弁のノズルニードルを制御するための機械的な強制制御部を直接噴射システムで使用する、本発明による方法により、やはり上に述べた利点が達成されることができる。

ノズルニードルを本発明により強制連結することにより、ノズルニードルのために自由度がもはや生じない。ノズルニードルは予め与えられた機械的な制御カーブを追従しなければならず、これにより、ノズルニードルストロークの高い再現性が保証されることができる。それにより、機械的な制御カーブは、噴射の、ある特定の時点では固定的な、ただし全噴射サイクル内では可変のストロークストッパを成す。このことは可能な限り小さなショット・ツー・ショット制御（ｓｈｏｔ−ｔｏ−ｓｈｏｔ−Ｓｔｅｕｅｒｕｎｇ）を可能にする。本発明により、種々異なる回転数への適合は、機械的な制御カーブが種々異なる速さで滑動することにより達成されることができる。このことは特に内燃機関とノズルニードルとの間の、例えばカムシャフトを介した直接的な連結時に可能である。それにより本発明により、当業者にとっても驚くほど簡単な形式で、燃料を直接噴射する弁における、多くの点で有利なノズルニードル制御が実現される。

以下に図面を参照しながら本発明の実施例につき詳説する。

まず、図１および図２を参照しながら、本発明の第１の実施例による燃料噴射弁につき説明する。

図１の全体配置図に示されているように、燃料噴射弁１は公知の形式で機関ハウジング４内に、燃料を直接内燃機関の燃焼室５内に噴射することができるように配置されている。その際、燃焼室内の燃料・空気・混合物は点火プラグ６により点火される。さらに、図１から見て取れるように、機械的な強制制御部として、カムシャフト２が設けられている。カムシャフト２はロッカーアーム３を介して直接燃料噴射弁のノズルニードル７に作用結合されている。

図２に再度、より詳細に、本発明による燃料噴射弁１の構造を示す。図２に示されているように、燃料噴射弁１はノズルニードル７を有している。ノズルニードル７は、燃料を燃焼室５内に噴射するもしくは噴射を終了するために、シール座８を開放もしくは閉鎖する。燃料噴射弁１はノズルボディ９とインジェクタボディ１５とから成っている。両ボディ内には、高圧孔１１が配置されている。その際、ノズルニードル７はノズルボディ９内に配置されており、この中で案内されている。ノズルニードル７の、シール座８とは反対側の端部は押圧片１２に結合されている。押圧片１２はプルロッド１６を位置固定するために役立つ。これにより、プルロッド１６は固くノズルニードル７に結合されている。さらに、インジェクタボディ１５内には、圧縮ばね１３ならびにばね調節支持体１４が配置されている。押圧片１２は同時に圧縮ばね１３のためのばね受けとしても役立つ（図２参照）。図２に示した実施例で、圧縮ばね１３はノズルニードル７をその閉鎖位置にシール座８へと戻すために役立つ。構成部分９，１５はノズル緊締ナット１０により公知の形式で互いに締付けられる。

さらに、プルロッド１６はロッカーアーム３の一端に結合されている。その際、ロッカーアーム３の他端はカムシャフト２に作用結合している（図２参照）。ロッカーアームは軸線Ｍを中心に旋回することができる。

以下に、本発明による燃料噴射弁の機能につき説明する。図２から見て取れるように、カムシャフト２の外側の輪郭は燃焼室への燃料の噴射の経過を規定する。その際、カムシャフト２およびロッカーアーム３は、ロッカーアーム３がカムシャフト２と常にコンタクトを保ち、それにより、カムシャフトの、その回転軸線Ｎを中心とした回転時に、その輪郭をたどるように配置されている。その際に、ロッカーアーム３がその旋回軸線Ｍを中心に旋回し、かつ例えばナットによりプルロッド１６に固定されているので、ノズルニードル７はプルロッド１６を介してそのシール座から持ち上げられ、上方へと運動する。その結果、燃料の噴射が行われることができる。

それにより、燃料噴射弁のノズルニードルのための機械的な強制制御はプルロッド１６とロッカーアーム３とカムシャフト２との間の作用結合により達成される。カムシャフト２の、その軸線Ｎを中心とした回転時に、ロッカーアーム３はカムシャフト２の外側の周囲を滑動し、その際相応にその旋回軸線Ｍを中心に旋回する。これにより、ノズルニードル７は運動する。その際、ノズルニードル７の戻しは圧縮ばね１３のばね力により実施される。その際、圧縮ばね１３のプレロード力は、高圧孔１１内にかかっている圧力と、ノズルニードル７の全開時に圧力負荷される面積とから生じる力よりも大きくなければならない。例えば、高圧孔内の圧力が１６００バールであって、ニードルガイド直径が４ｍｍである場合、圧縮ばね１３の必要なばね力Ｆは、Ｆ＝１６００バール・Π／４・４^２より、２０１０Ｎである。それにより、ノズルニードル７は機械的な強制制御部により制御される。ノズルニードル７がその座からどれほど速く離れるか、もしくは噴射の、ある特定の時点でのニードルストロークの大きさがどの程度であるか、またはノズルニードル７が最初のパイロット噴射後に再度そのシール座８に向かって押されるかどうかは、偏にカムシャフトの外周の幾何学形状設定にのみ依存している。

運転時間にわたっての、制御の高い再現性を保証するために、ノズルニードル７と制御カーブとの間のコンタクト箇所は相応に磨耗のないように設計されていなければならない。このために、可能な限り小さな接触圧力（ヘルツ応力）は可能な限り大きなコンタクト半径、最良の表面品質、磨耗を減じる被覆および／または最良の潤滑特性により得ることができる。さらに、摩擦に関しては、互いにコンタクトしている摩擦相手の材料を適当に選択することにより影響を及ぼすこともできる。さらに、ノズルニードル７がノズルの閉鎖のために障害なくかつ自由にそのシール座８に潜り込むことができることが保証されていなければならない。このために、ノズルの閉鎖時に、可能な限り小さな遊びが制御カーブとノズルニードルとの間で必要である。

さらに、噴射のあらゆる時点での、ニードル運動の規定された追従を保証するためには、制御カーブとノズルニードルとの間で、可能な限り常に形状結合（Ｆｏｒｍｓｃｈｌｕｓｓ：形状による束縛）が支配していなければならないことを指摘しておく。つまり、制御ローラが制御カーブから離れることは回避されなければならない。それゆえ、ばね力の設計および調整を特に正確に実施することが重要である。

それにより本発明により、噴射の高い精度を保証すると共に、各噴射サイクルの極めて良好な再現性を保証するために、簡単に構成された機械的な強制制御部が提供されることができる。カムシャフトの回動により、もしくはカムシャフトに設けられた制御カーブが三次元的である場合には、カムシャフトの軸方向シフトにより、機械的な制御カーブは簡単な形式で調節されることができ、それにより、燃料噴射は内燃機関の種々異なる状態に適合されることができる。

図３および図４に基づき、回転型の機械的な制御エレメント、例えばカムシャフトまたは制御ディスクの例示的な構成をまず原理的に説明し、その後で第２の実施例につき説明する。カムシャフトを用いた制御原理の基本を明らかにすべき図３ａに示されているように、回転型の制御カーブ２は矢印Ｒの方向で回転する。制御カーブ２は燃料の噴射を規定するために２つの切欠き２１，２２をその周囲に有している。その際、深さｈ_１を有する第１の切欠き２１はパイロット噴射のために設けられており、第２の切欠き２２は周囲の半分以上にわたって延びており、メイン噴射のために設けられている。その際、高さｈ_２に基づいて、メイン噴射中にまず少量の燃料が噴射され、引き続いて、メイン噴射は高さｈ_ｍａｘへと移行する。高さｈ_ｍａｘで、ノズルニードルは完全に開放されている。

図４ａのグラフには原理的に、図３ａに示したカムシャフトの回転時のニードルストロークが時間軸にわたって示されている。

図３ｂには、本発明の第２の実施例による、図３ａとは逆の構造に形成されたカムシャフトの特別な断面図が示されている。

図４ｂには、図３ｂに示したカムシャフトの回転時に、回転型の制御カーブ２が一回りする間のニードルストロークが時間軸にわたって示されている。その際、ニードルストロークが大きければ大きいほど、通流量は大きくなる。

図５および図６には、第３の実施例による機械的な強制制御部が示されている。

それまでの機械的な強制制御部とは異なり、第３の実施例の機械的な強制制御部の場合、並進型の機械的な強制制御部を構成するために、曲線用定規状のカーブガイド１８が設けられている。カーブガイド１８は矢印Ｌの方向で並進運動を、ストッパ１９に当接するまで実施する。その際、カーブガイド１８はばね力Ｆを提供するばね２０により予負荷されている。カーブガイド１８が矢印Ｌの方向で運動すると、ノズルニードル７の、カーブガイドと常にコンタクトしている端部はカーブガイド１８の幾何学形状をたどるので、幾何学形状に応じて、燃料噴射弁の開放もしくは閉鎖が実施される。図６に、ノズルニードル７のストローク高さｈ_Ｎに関する通流量Ｑ_ｈｙｄを示す。その際、異なる回転数への適合はカーブガイド１８の運動速度Ｖの変更により実施される。その他の点で、この実施例は先に述べた実施例に等しいので、これ以上の説明は省略することができる。

要するに、本発明はそれゆえ、燃料噴射弁のノズルニードル７のための機械的な強制制御部２，３が、燃料の噴射を実施するために設けられていることを特徴とする燃料噴射弁ならびに燃料を内燃機関の燃焼室５内に噴射する方法に関する。

本発明は図示の実施例に限定されるものではない。発明の範囲を逸脱することなく、種々異なる変化および改変が可能である。

本発明の第１の実施例による燃料噴射弁の、組み付けられた状態の側面図である。

図１に示した燃料噴射弁の断面図である。

基本的な制御原理を明示しているカムシャフトの断面図である。

本発明の第２の実施例による、図３Ａとは逆の構造に形成されたカムシャフトの断面図である。

図３Ａに示したカムシャフトの回転時のニードルストロークを経時的に示す原理的なグラフである。

図３Ｂに示したカムシャフトの回転時のニードルストロークを経時的に示すグラフである。

本発明の第３の実施例による機械的な制御エレメントの断面図である。

図５に示した制御装置における、噴射される燃料量をニードルストロークに関して示すグラフである。

Claims (14)

1. 燃料を内燃機関の燃焼室（５）内に噴射するための燃料噴射弁（１）において、燃料の噴射を実施するために、燃料噴射弁（１）のノズルニードル（７）のための機械的な強制制御部（２，３；１８）が設けられていることを特徴とする、機械的な強制制御部を備えた燃料噴射弁。
2. 機械的な強制制御部（２，３；１８）が、ノズルニードル（７）の開放またはノズルニードル（７）の閉鎖またはノズルニードル（７）の開放および閉鎖のために設けられている、請求項１記載の燃料噴射弁。
3. 機械的な強制制御が直接的にカムシャフト（２）またはカーブディスクまたはカーブガイド（１８）により実施される、請求項１または２記載の燃料噴射弁。
4. 機械的な強制制御が間接的にロッカーアーム（３）またはスイングアームまたはドラッグアームまたは接触タペットを介して実施される、請求項１から３までのいずれか１項記載の燃料噴射弁。
5. 機械的な強制制御部が変位変換部および／または力変換部を有している、請求項１から４までのいずれか１項記載の燃料噴射弁。
6. 弁遊びを補償するための弁遊び補償エレメントが設けられている、請求項１から５までのいずれか１項記載の燃料噴射弁。
7. 機械的な強制制御部、特にカムシャフト（２）が、制御カーブを機関状態に適合させるために、軸方向で摺動可能に形成されている、請求項１から６までのいずれか１項記載の燃料噴射弁。
8. カムシャフト（２）が直接内燃機関により駆動されている、請求項１から７までのいずれか１項記載の燃料噴射弁。
9. カムシャフトが、全ての燃料噴射弁（１）を運転するために、機関回転数に同期化されている別個の駆動部を有している、請求項１から７までのいずれか１項記載の燃料噴射弁。
10. 各燃料噴射弁（１）のために、別個の機械的な強制制御部が設けられている、請求項１から７までのいずれか１項記載の燃料噴射弁。
11. 燃料噴射がカムシャフト（２）もしくはカーブディスクもしくはカーブガイド（１８）の調節により調節可能である、請求項１から１０までのいずれか１項記載の燃料噴射弁。
12. 機械的な強制制御部の経過速度が変更可能である、請求項１から１１までのいずれか１項記載の燃料噴射弁。
13. 蓄圧式噴射システムにおいて、請求項１から１２までのいずれか１項記載の燃料噴射弁（１）が設けられていることを特徴とする蓄圧式噴射システム。
14. 内燃機関の燃焼室（５）内への燃料の噴射を制御する方法において、燃料噴射を機械的に強制制御することを特徴とする、燃料の噴射を制御する方法。

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