JP2009509079A - 内燃機関の燃焼室に燃料を噴射する装置 - Google Patents

Abstract

内燃機関の燃焼室に燃料を噴射する装置が開示される。前記装置は、噴射ノズル（５）と、その噴射ノズル（５）内を長手方向に移動するようにガイドされ、噴射口（９）へ向かう燃料の流れを交互に開通または遮断するノズル・ニードル（７）とを含んで構成される。ノズル・ニードル（７）はノズル前室（８）で少なくとも一部を囲まれており、ノズル前室内には制御部材（２３）が配置され、制御部材が噴射口（９）へ向けて流れる燃料の入口の供給路断面積を決定する。

Description

本発明は、噴射ノズルと、その噴射ノズル内を長手方向に移動するようにガイドされ、噴射口へ向かう燃料の流れを選択的に解放または遮断する、少なくとも一部がノズル前室で囲まれているノズル・ニードルとを含んで構成されている内燃機関の燃焼室内に燃料を噴射する装置に関するものである。

噴射器（インジェクター）とも称されるこの種の装置は、ディーゼル機関の燃焼室にディーゼル燃料を噴射する共通レール式システムにしばしば使用されており、通常は、シャンクによってノズル本体内部を長手方向に移動するようにガイドされるノズル・ニードルによって噴射断面積の開閉を行われるように構成されている。ノズル・ニードルの移動制御は、ソレノイド・バルブにより実行される。ノズル・ニードルは両側に、燃料圧力と、閉じ方向に作用する圧力ばねによる圧力とを作用されている。ノズル・ニードルの後側、すなわちノズル・ニードル座から離れる方向へ向いた側には制御室が備えられており、制御室内では加圧された燃料がノズル・ニードルを閉じ方向へ押圧し、これによりノズル・ニードルをニードル座すなわちバルブ座にそれぞれ押圧している。

例えばソレノイド・バルブとして設計され得る制御バルブは、制御室内を支配する燃料の圧力を低下させるために制御室から導かれている排出ラインを解放し、これにより他側に作用する燃料圧力によってノズル・ニードルがばね作用力に抗してニードル座から持上げられて噴射口へ通じる燃料通路を解放する。ノズル・ニードルのこの開き速度は、制御室へ通じた供給ラインにおける流量と、制御室から出る排出ラインにおける流量との間の差によって決まり、供給ラインおよび排出ラインには前記流量を決定するためにそれぞれスロットルが配置されている。

燃焼過程を最適化するために、噴射の過程、すなわち燃焼室に噴射される燃料の量変化を、時間経過に伴う機関の要求値にできるだけ正確に適合させることが必要である。これは、特に、段階的噴射により、すなわち噴射の第１段階において低圧で少量の燃料を噴射し、第２段階において高圧で主量を燃焼室に供給することによって、可能となる。これにより、燃焼ノイズ、燃料消費ならびに放出物を減少することができる。共通レール式噴射システムにおいては、高圧ポンプが燃料アキュムレーター（レール）に一定圧力を発生し、そのレール圧力は噴射過程を通じてほぼ一定とされるので、燃料の噴射量は噴射器内部のバルブの作動時間に比例して、また機関およびポンプ速度に関係なく設定することができる。したがって、さまざまに定めること、したがって機関のさまざまな運転時点に関する機関、噴射開始時、および噴射時間の要求に最適に適合させることができる。噴射の望ましい過程は、この場合は、任意の少量の予備噴射に続いて主量を噴射し、また、望まれるならば内燃機関の燃焼室に或る量の後噴射を行うようなソレノイドのマルチ付勢を行うことによって与えられる。

共通レール式圧力アキュムレーターを含む内燃機関の燃焼室に燃料−流体混合物を間歇的に供給するための噴射器は、ＤＥ４４２５３３９Ａ１に既に記載されており、これによれば、バルブ部材の長手方向の動きを制御するためのバルブ部材と噴射バルブとの間の制御室に加えて、別の制御室が備えられており、これはバルブ部材と個別のピストンとの間に形成される。ＥＰ１３２１６６２Ａ１によれば、バルブ・ニードルを含む噴射器が使用され、流路断面積はノズル・ニードルのストロークの関数として可変である。

共通レール式噴射システムは、高粘度で摩滅作用を与える固体が高比率な高温度の燃料、いわゆる重油、を内燃機関の燃焼室に噴射するために、とりわけ使用されている。重油は、特に、高シリンダ出力の機関のエネルギー・キャリヤとして使用されており、そこに使用される噴射器は未だに大量噴射するように構成されねばならない。

重油を使用する場合に必要とされるような大量噴射では、上述したように、ソレノイド・バルブのソレノイドを噴射過程で数回にわたり付勢および作動させるようにして、噴射過程に影響を与えることが基本的に可能である。それでも尚大量噴射が気がかりであり、そのような運転モードは大量消費も伴うことになり、また、噴射器は重油に含まれる不純物による大きな磨耗の影響を受ける。さらに、ソレノイドのマルチ付勢によって生じる噴射流の中断は、大型内燃機関の運転に要求される大量噴射が、噴射過程のために与えられる時間枠内に達成できないことをもたらす。

したがって、本発明は、冒頭に定義した噴射装置を改善すること、特に、その噴射装置を重油での使用および大型機関での使用に適合させる一方、噴射過程に選択的な影響を与えられるようにすることを目的とする。

この目的を関係するために、冒頭に定義した種類の装置は、噴射口へ向けて燃料を流す供給路断面積を決定する制御部材が、ノズル前室に配置されるという特徴を実質的に与えられる。従来技術による構造とは逆に、燃料流量への影響は、したがって噴射過程への影響は、制御バルブのソレノイドのマルチ付勢のみならず、ノズル前室に直接に別個の制御部材を使用することによっても、達成されることになる。そのようにすることで、本発明による制御部材は噴射口へ向けて燃料を流す供給路断面積を決定することになり、燃料流量は制御部材の適当な調整によって所望の過程の関数として制御される。

本発明による構造は、ノズル前室に配置される制御部材が長手方向に移動するようにガイドされるように、また、供給路断面積が制御部材のストロークの関数として可変であるようにさらに発展されることが好ましい。この場合、制御部材は、長手方向に制御部材を作動させることで簡単に供給路断面積を制御できるようなバルブとしてノズル前室に配置される。これに関して、制御部材が始動位置において作動されることなく最小流量を保証するような一定の供給路断面積を示す、例えば、予備噴射に使用できる構造が特に有利である。このために、この構造は、制御部材がその始動位置にて有効供給路断面積を有する少なくとも１つの孔を含むように工夫されることが好ましい。

制御部材の位置とは無関係の最小供給路断面積から始まって、その供給路断面積の制御は、ノズル・ニードルのストロークの関数として供給路断面積が変化するようにして行われることが好ましい。このために、この構造は、ノズル・ニードルのストロークの関数として制御部材を調整するための手段が備えられるように工夫されることが好ましい。

ノズル・ニードルのストロークを、この場合は制御部材のストロークと連結させることは、例えば、ノズル・ニードルがストップを含み、このストップが制御部材の対向ストップと協働することにより実現される。ノズル・ニードルのストップおよび制御部材の対向ストップは、ノズル・ニードルが閉位置にあるときは間隔を隔てた関係状態に配置されており、したがってノズル・ニードルは空移動（制御部材に無関係な移動）をした後にのみ、制御部材を開く方向へ移動させることになる。この結果、制御部材はノズル・ニードルがストロークの最初の一部を移動する間は閉位置に維持され、ノズル・ニードルがそれ以降のストローク部分を移動する間にのみ、制御部材と協働して供給路断面積を変化させることになる。第１ストローク部分を通過すると、制御部材のストロークに無関係な制御部材の最小供給路断面積が解放されて、少量の燃料が低圧の下で噴射される第１噴射段階が与えられる。第２段階になってはじめて、制御部材により解放された供給路断面積が拡大されて主量の燃料が高圧の下で燃焼室に噴射できるようになされる。

ノズル・ニードルのストップと制御部材の対向ストップとの協働による制御部材の機械的な駆動は、流体圧駆動に置き換えることができる。このために、構成はさらに有利に発展されて、ノズル・ニードルの開閉移動を制御するとともに燃料で満たされることのできる制御室と、前記制御室と連通される別の制御室と、前記別の制御室内を支配する燃料圧力で力を作用されることのできる制御部材の面とが備えられる。制御室は、図面の説明で例を挙げて以下にさらに詳細に説明するように、ノズル・ニードルに備えられた孔を経て上述した別の制御室と連通される。前記別の制御室は、ノズル・ニードルの環状段部と制御部材の環状リムとの間に形成される環状空間として設計することができる。

既に説明したように、制御部材はバルブ閉じ部材としてノズル前室に配置でき、これに関して、制御部材が円錐形座面を担持し、また、駆動アキュムレーターにより噴射ノズルの対向座面に押圧できることが好ましい。駆動アキュムレーターはノズル・ニードルのショルダー部分と制御部材の環状面とに支持された螺旋圧縮ばねとして設計されることができる。

制御部材は、特に空間の節約を保証するために、ノズル・ニードルを取囲むスリーブで形成されることが好ましい。

以下に、本発明は図面に概略的に示した実施例を例としてさらに詳細に説明される。図面において、図１および図２は大型ディーゼル機関用の共通レール式噴射システムの噴射器の基本的な構造を示し、図３はスリーブとして設計された制御部材を含む本発明による第１の噴射器構造を示し、図４は本発明による制御部材の改良した構造を示している。

図１および図２は、噴射器本体２と、バルブ本体３と、中間プレート４と、噴射ノズル５とを含み、それらがノズル・クランプ・ナット６で一緒に保持された噴射器１を示す。噴射ノズル５はノズル・ニードル７を含み、このノズル・ニードルは噴射ノズル５のノズル本体内部を長手方向に移動するようにガイドされ、また、幾つかの開かれた空間を有し、それらの空間を通して燃料がノズル前室８からニードル先端まで流れ得るようになされている。ノズル・ニードル７が開くように移動するとき、燃料は幾つかの噴射口９を通して内燃機関の燃焼室に噴射される。

ノズル・ニードル７は圧縮ばね１０を支持するカラーを含み、この圧縮ばねは上端で中間プレート４の下面に制御スリーブ１１を押圧する。制御スリーブ１１、ノズル・ニードル７の上端面および中間プレート４の下面が制御室１２の境界を定めている。制御室１２を支配する圧力は、ノズル・ニードルの移動制御に関係する。一方では、燃料供給孔１３を経て燃料圧力がノズル前室８内で有効に作用して、ノズル・ニードル７の受圧ショルダー部分に対してノズル・ニードル７を開く方向へ作用力を働かせる。他方では、燃料圧力は供給通路１４および供給スロットル１５を経て制御室１２内で作用し、圧縮ばね１０の力で助成されてノズル・ニードル７を閉位置に保持する。

電磁石１６を付勢することにより、ソレノイド・アーマチュア１７が連結されているバルブ・ニードル１８とともに持上げられて、バルブ座１９が開かれる。制御室１２から燃料が排出スロットル２０および開かれたバルブ座１９を通して圧力の加えられていない排出通路２１に流入し、また、ノズル・ニードル７の上端面に作用している流体圧の低下とともに、ノズル・ニードル７の開動が生じる。その後、この燃料は噴射口９を通して機関の燃焼室に達する。噴射ノズル５が開かれた状態で、高圧燃料が供給スロットル１５を通して制御室１２へ流入し、またこれと同時に、大量の燃料が排出スロットル２０を通して流出する。このようにすることで、いわゆる制御量は圧力を加えられないで排出通路２１へ排出され、すなわち噴射量に加えてレールから抜き出される。ノズル・ニードル７の開動速度は供給スロットル１５と排出スロットル２０との間の流量差によって決まる。

電磁石１６の付勢が終了すると、ソレノイド・アーマチュア１７は圧力ばね２２の作用力により下方へ押圧され、また、バルブ・ニードル１８はバルブ座１９により排出スロットル２０を通る燃料の排出通路を閉じる。供給スロットル１５を経て燃料圧力は再び制御室１２内に蓄えられ、ノズル・ニードル７の受圧ショルダー部分に作用する流体圧作用力から圧縮ばね１０の作用力を減じた作用力よりも大きい閉じ力を発生する。ノズル・ニードル７は噴射口９へ通じる通路を遮断し、このようにして圧縮過程を完了する。

図１および図２に代表される噴射器の構成は、任意であるが少量の予備噴射量に引続いて主噴射量を、また、任意であるが後噴射量を内燃機関の燃焼室に噴射するようにソレノイドをマルチ付勢することによって、噴射過程に影響を与えることができる。それでも尚、ニードル・ストロークに応じてさまざまな圧力を選択可能な方法で噴射口に有効に作用させる方法で、噴射過程の確立を実現することはできない。

図３は、機関の燃焼室に第１の予備噴射量を低供給速度（ｌｏｗ ｃｏｎｖｅｙｉｎｇ ｒａｔｅ）で噴射し、引続き主噴射量を高供給速度で噴射することによって噴射過程を確立することができ、したがって、大量の噴射量での運転に好適で、特に共通レール式システムで重油を使用する場合に好適な第１の噴射器の構造を示している。

この噴射器構造は、ノズル・ニードル７上を移動するようにガイドされるとともに、制御部材２３を含み、ノズル・ニードル７のショルダー部分に支持された圧縮ばね２４によって噴射ノズル５の下部の円錐座に対して押圧される制御部材２３を含む。この例では、制御部材はスリーブ２３として設計されている。制御室１２内の燃料圧力が低下することで噴射ノズル５の円錐座からノズル・ニードル７が持上がるや否や、燃料は制御部材２３に備えられた１つ以上のスロットル２５を通して、そのスロットル作用で低下された圧力にて、ノズル前室８から噴射ノズル５の先端部分に備えられた噴射口９へ向けて流出する。制御部材２３が円錐座に係止し続ける間、噴射流量は少なく保持され、スロットル２５で解放された供給路断面積はノズル・ニードル７のストロークで最初は影響されない。

ノズル・ニードル７が運転過程において予備ストローク２７を終えると、駆動リング２６として設計されたストップ（即ち、ストッパ若しくは停止部）は、制御部材２３の段部として設計された対向ストップ（即ち、ストッパ若しくは停止部）と接触状態になり、その後、スリーブは噴射ノズル５の下部の円錐座から持上げられることになる。その結果、噴射口９に通じる大きなスロットル作用を受けない供給路断面積がノズル前室８内の燃料に対して開放されて、主量の噴射が高供給速度で行えるようになされる。

制御室１２内に蓄えられた燃料圧力によって噴射過程を停止させるために、スリーブ２３はノズル・ニードル７とともに円錐座の方向へ移動される。これにより、まず、噴射ノズル５の下部の円錐座の上にスリーブ２３が位置決めされるようになされ、そして予備ストローク２７が終了した後に、噴射口９へ通じる燃料通路が着座したノズル・ニードル７によって遮断されるようになされる。閉じ過程においてスロットル作用を受けた噴射の持続時間は、閉じ動作の終了に向かうノズル・ニードル７の速度が速いので、非常に短い。

図４は、第２の噴射構造を示しており、これにおいてスリーブの持上げは図３に示したように機械的に制御されるのではなく、流体圧作用によって制御される。スリーブ２３は２つの直径部分２８，２９を通してノズル・ニードル７上を移動するようにガイドされる。これにより、ノズル・ニードル７に備えられた段部とスリーブ２３に備えられた段部との間にスリーブ制御室３０が形成される。スリーブ制御室３０は中央孔３１および横孔３２を経てノズル・ニードル７の上方の制御室１２と連通される。スリーブ２３は、スリーブ制御室３０を支配する燃料圧力により噴射ノズル５の下部の円錐座に対して押圧される。

噴射過程を開始するために、バルブ座１９は２／２方向バルブのソレノイド・アーマチュア１７によって開かれる。したがって、制御室１２内の圧力は、ノズル・ニードル７がその座から持上げられることで低下する。燃料は、ノズル前室８から、スリーブ２３に備えられている１つまたは数個のスロットル２５を通り、そのスロットル作用で低下された圧力にて、噴射ノズルの先端部分に備えられている噴射口９へと流れる。中間プレート４の下面に対するノズル・ニードル７の上端面による当接は、制御室１２内の圧力を強烈に低下させる。この圧力低下は中央孔３１および横孔３２を経てスリーブ制御室３０に伝達される。スリーブの圧力ステージに作用するノズル前室８からの燃料圧力によって生じる作用力は、その後、スリーブ制御室３０内部の圧力とばね３３とによって生じている閉じ方向に作用する力よりも大きくなる。これにより、スリーブ２３は作用力を受けて、噴射ノズル５の下部の円錐座から持上げられて、ノズル前室８から噴射口９へ通じる大きなスロットル作用を受けない供給路断面積を開くようになされる。

噴射過程を終了するために、制御室１２内に燃料圧力が再び蓄えられ、また、中間プレート４の下面における停止位置からノズル・ニードル７が離れることにより、ノズル・ニードル７の中央孔３１および横孔３２を通してスリーブ制御室３０に伝えられる。これにより、スリーブ２３はノズル先端へ向けて移動され、円錐座上での閉位置となり、そのすぐ後にノズル・ニードル７が閉位置となる。これにより、噴射過程は終了される。

説明した噴射構造の利点は、主噴射のための燃料通路がスリーブの外側を通る大きな断面積を経て導かれることにある。したがって、このような構造は大型内燃機関に要求されるような大噴射量に関して特に好適である。

大型ディーゼル機関用の共通レール式噴射システムの噴射器の基本的な構造を示す断面図である。 図１に示された構造の他の断面図である。 スリーブとして設計された制御部材を含む本発明による第１の噴射器構造を示す断面図である。 図３に示された噴射器構造の改良された構造を示す断面図である。

符号の説明

１ 噴射器
２ 噴射器本体
３ バルブ本体
４ 中間プレート
５ 噴射ノズル
６ ノズル・クランプ・ナット
７ ノズル・ニードル
８ ノズル前室
９ 噴射口
１０ 圧縮ばね
１１ 制御スリーブ
１２ 制御室
１３ 燃料供給孔
１４ 供給通路
１５ 供給スロットル
１６ 電磁石
１７ ソレノイド・アーマチュア
１８ バルブ・ニードル
１９ バルブ座
２０ 排出スロットル
２１ 排出通路
２２ 圧力ばね
２３ 制御部材すなわちスリーブ
２４ 圧縮ばね
２５ スロットル
２６ 駆動リング
２７ 予備ストローク
２８，２９ 直径部分
３０ スリーブ制御室
３１ 中央孔
３２ 横孔
３３ ばね

Claims (13)

1. 噴射ノズル（５）と、その噴射ノズル（５）内を長手方向に移動するようにガイドされ、噴射口（９）へ向かう燃料の流れを選択的に解放または遮断する、少なくとも一部がノズル前室（８）で囲まれているノズル・ニードル（７）とを含んで構成されている内燃機関の燃焼室内に燃料を噴射する装置であって、噴射口（９）へ向けて燃料を流す供給路断面積を決定する制御部材（２３）がノズル前室（８）に配置されていることを特徴とする装置。
2. ノズル前室（８）に配置された制御部材（２３）が長手方向に移動するようにガイドされること、および、供給路断面積が制御部材（２３）のストロークの関数として可変であることを特徴とする請求項１に記載された装置。
3. 制御部材（２３）の位置に無関係に供給路断面積を有する少なくとも１つの孔（２５）を制御部材（２３）が含んでいることを特徴とする請求項１または請求項２に記載された装置。
4. ノズル・ニードル（７）のストロークの関数として制御部材（２３）を調整する手段が備えられていることを特徴とする請求項１、請求項２または請求項３に記載された装置。
5. 制御部材（２３）は、ノズル・ニードル（７）がストロークの最初の一部（２７）を移動する間は閉位置に維持され、ノズル・ニードル（７）がそれ以降のストローク部分を移動する間に調整されて、供給路断面積を変化させることを特徴とする請求項４に記載された装置。
6. 制御部材（２３）を調整する手段がノズル・ニードル（７）のストップ（２６）と、制御部材（２３）の対向ストップを含むことを特徴とする請求項４または請求項５に記載された装置。
7. ノズル・ニードル（７）のストップ（２６）および制御部材（２３）の対向ストップは、ノズル・ニードル（７）が閉位置にあるときは間隔を隔てた関係状態に配置されており、これによりノズル・ニードル（７）が空移動（制御部材に無関係な移動）（２７）をした後に、制御部材（２３）を開く方向へ移動させることを特徴とする請求項６に記載された装置。
8. 制御部材（２３）を調整する手段が、ノズル・ニードル（７）の開閉移動を制御するとともに燃料で満たされることのできる制御室（１２）と、前記制御室と連通される別の制御室（３０）と、前記別の制御室内を支配する燃料圧力で力を作用されることのできる制御部材（３０）の面とを含むことを特徴とする請求項４または請求項５に記載された装置。
9. 前記制御室（１２）がノズル・ニードル（７）の孔（３１，３２）を経て前記別の制御室（３０）と連通されることを特徴とする請求項８に記載された装置。
10. 前記別の制御室（３０）が、ノズル・ニードル（７）の環状段部と制御部材（２３）の環状リムとの間に形成される環状空間として設計されたことを特徴とする請求項８または請求項９に記載された装置。
11. 制御部材（２３）が円錐形座面を担持し、また、駆動アキュムレーター（２４，３３）により噴射ノズル（５）の対向座面に押圧されることができることを特徴とする請求項１から請求項１０までのいずれか一項に記載された装置。
12. 駆動アキュムレーターがノズル・ニードル（７）のショルダー部分と制御部材（２３）の環状面とに支持された螺旋圧縮ばね（２４，３３）として設計されたことを特徴とする請求項１１に記載された装置。
13. 制御部材（２３）がノズル・ニードル（７）を取囲むスリーブで形成されたことを特徴とする請求項１から請求項１２までのいずれか一項に記載された装置。

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