JP2016136017A - 燃料噴射器 - Google Patents

Abstract

【課題】幅広い範囲の噴射量で使用できる燃料噴射器を提供すること。
【解決手段】貯蔵容積部２０を有する燃料噴射器１であって、貯蔵容積部が運転時に制御信号によって変化可能である。貯蔵容積部は少なくとも二つの副容積部２１，２２を備え、少なくとも二つの副容積部は、それらが噴射器内で全体容積部として作用するよう切換要素１２によって連通でき、全体容積は大きい方の噴射量に一致していることが好適である。少量の噴射量のみが必要とされる場合には、副容積部の一方のみが稼働される。
【選択図】図３

Description

本発明は、請求項１の前提部分の構成を有する燃料噴射器、そのような燃料噴射器を有する内燃機関、および内燃機関の運転方法に関する。

近年の内燃機関の燃料噴射器は、高燃料圧力で運転される。急速連続的に起こる燃料噴射器の切換作動の結果として生じる燃料供給圧力脈動に伝達しないために、噴射器自体に貯蔵容積部が提供されており、その容積部から噴射のために燃料が取り出され、貯蔵容積部に燃料がスロットル（開口部）を介して燃料供給ラインからの補償流（make-up flow）として流入することができる。それゆえ、噴射器を燃料供給から振動分離している。そのような貯蔵容積部を有する燃料噴射器は、例えばＤＥ１０２００６０５１５８３Ａ１から知られている。

圧力振動を効果的に制動するため、前述の貯蔵容積部は、切換作動で取り出され、燃料噴射器によって燃焼チャンバ内へ噴射される燃料量と、所定の比率でなければならない。貯蔵容積部が小さすぎると、貯蔵容積部内の圧力が噴射時に過剰に降下するが、一方、大きな容積部はスペースの理由から達成することがさらに困難である。制動作用は、貯蔵容積部とスロットルとの協調（協同作用）から決定されるため、通流断面積、すなわちスロットルの液圧減衰作用は、貯蔵容積部の大きさに適合される。

噴射量を変化させることができる燃料噴射器は既に知られている。燃料噴射器の噴射量を大幅に変更可能にすることが望ましいであろう。換言すれば、燃料噴射器が高ターンダウン比を有することである。燃料噴射器のターンダウン比とは燃料噴射器が制御された関係で噴射できる燃料の最大量と最小量との比である。ある燃料噴射器が０．５％から１００％の間の燃料量を噴射できるなら、その燃料噴射器のターンダウン比は２００である。これは特に、１００％ディーゼルと、小型ディーゼルパイロット噴射機能を備えたガスモードとの間のモードでの運転が意図されたデュアル燃料エンジンに関係する。ターンダウン比が燃料噴射器の耐用年数全体にわたって、制御され再現可能な形態における値となることが特に重要である。

従来技術では、再現可能なターンダウン比２００を、耐用年数全体にわたって単式燃料噴射器で実行することは不可能であるため、デュアル燃料エンジン用の方法には２体の分離した燃料噴射器の提供が必要となり、一方の燃料噴射器はディーゼルモード用に多量の燃料を提供し、他方はパイロット噴射用に少量の燃料を提供する。

ＤＥ１０２００６０５１５８３Ａ１

したがって、本発明の目的は、従来技術の欠点の影響を受けずに、幅広い範囲の噴射量で使用できる燃料噴射器の提供である。本発明は内燃機関の提供と、その運転方法の提供も追い求める。

これらの目的は、請求項１記載の特徴を有する燃料噴射器、請求項１０記載の内燃機関、および請求項１２記載の内燃機関の運転方法によって達成される。有利な形態は、従属請求項に記載されている。

貯蔵容積部が運転時に制御信号によって可変であるという事実は、貯蔵容積部の大きさがそれぞれの噴射量に適応できることを示している。

本明細書の当初部分で解説したように、噴射量は内燃機関の運転状況に応じて異なることができる。

運転における可変性は、大きな利点を提供する。

貯蔵容積部の可変性のおかげで、例えば特定の燃料噴射器が、異なる運転状況に提供されている燃料噴射器の二重利用を放棄することが可能である。運転状況は例えば、全部の燃料がディーゼルとして供給されるディーゼルモードと、ディーゼルが点火のみに（いわゆるパイロット噴射）少量で供給されるデュアル燃料モードである。

運転時の貯蔵容積部の可変性は、内燃機関が貯蔵容積部を変化させるために停止される必要がないことを意味する。

貯蔵容積部が、噴射量の約３０倍と８０倍との間に対応することが特に好適である。

貯蔵容積部は少なくとも二つの副容積部を備え、少なくとも二つの副容積部は、それらが噴射器内で全体容積部として作用するよう切換要素によって連通でき、全体容積は大きい方の噴射量に一致していることが好適である。これは、貯蔵容積部が単一の空洞部によって形成されておらず、結合できる少なくとも二つの副容積部によって形成されていることを意味する。よってより大きい噴射量の場合には、少なくとも第２の副容積部が第１の副容積部と流体連通され、その結果、噴射プロセスにおいて燃料を取り出すために貯蔵容積部のさらに大きな容量が利用可能になる。

少量の噴射量のみが必要とされる場合には、副容積部の一方のみが稼働される。したがってこの場合には、一つだけの副容積部が、高圧レールと実際のノズルアセンブリとの間で流体連通状態となる。論理上は、少量の噴射量用の副容積部は大量の噴射量が関与する運転状況のための副容積部よりもサイズが小さい。

少なくとも二つの副容積部の構成は並流（平行流）関係でよい。この場合には、少なくとも二つの副容積部の両方または全てが高圧レールに接続される。そして、切換要素は一つの副容積部の下流側に配置され、その一つの副容積部を閉鎖するように作動できる。その場合には、第２の副容積部のみが依然としてノズルアセンブリと連通している。したがって噴射作動において、燃料はその別の副容積部からのみ取り出される。

ここで二つの副容積部を明確化すると、その構成は２つを超える副容積部を含むこともできる。その場合にはそれらは別の切換要素によって開閉できる。実際には、これは単にスペースの理由によって、ほとんど実施されない。

代わりに、それら少なくとも二つの副容積部の構成は、直流（直列流）関係にすることができる。したがってこの場合には、副容積部には高圧レールとの連通状態が一つだけ存在する。さらに切換要素は、例えば副容積部間に通流関係で配置される。よって、切換要素が閉じられると、噴射運転において燃料は切換要素とノズルアセンブリとの間の副容積部からのみ取り出される。直列構成の場合には、切換要素は、下流に配置された副容積部へのさらなる燃料流入を確実にするように設計されている。これは例えば、閉位置において、スロットルのように燃料をさらに通流させることができる、常時開いている開口部によって可能である。

副容積部の提供の代わりに、貯蔵容積部を、容量を変化させることができる空洞部の形態で提供できる。したがってこの変形例では、例えば噴射量などの流動条件に貯蔵容積部の容量を適応させることは、空洞部自体の大きさが可変であることによって達成される。これは、例えば利用されていなくて、かつ、それゆえ燃料によって満たすことができる貯蔵容積部を可変にする移動本体部によって実行できる。移動本体部は例えばピストンまたはガスバブルの形態でよい。燃料は例えばガソリン、ディーゼルまたは重油でよい。

特許保護は、本発明による燃料噴射器を有する内燃機関と、内燃機関の運転方法にも請求される。したがって、内燃機関の運転状況に応じた、燃料噴射器の貯蔵容積部の容量の変化によって、噴射特性が内燃機関の異なる運転状況に適応できる。

本発明を、図面との関連において以下でさらに詳説する。

図１は、従来技術による燃料噴射器を示している。 図２は、従来技術による貯蔵容積部での圧力変化を示している。 図３は、第１の実施例による燃料噴射器を示している。 図４は、別の実施例による燃料噴射器を示している。 図５は、別の実施例による燃料噴射器を示している。 図６は、別の実施例による燃料噴射器を示している。 図７は、別の実施例による燃料噴射器を示している。 図８は、別の実施例による燃料噴射器を示している。 図９は、比較としての貯蔵容積部の圧力変化を示している。

図１は、従来技術による貯蔵容積部２０を備えた燃料噴射器１を示している。点線の枠は、燃料噴射器１のシステムの範囲を示している。

高圧レール８が開口部３を介して燃料噴射器１に燃料を供給する。開口部３の下流には、燃料噴射器１に統合されている貯蔵容積部２０が配置されている。開口部３は圧力振動を減少させ、一つのシリンダから別のシリンダへの変動を軽減する。図示の燃料噴射器１は、貯蔵容積部２０に圧力センサ９を有している。

一本のライン（線）が貯蔵容積部２０からノズルアセンブリ１０に延びている。ノズルアセンブリ１０は制御バルブ６によって作動させることができる。供給排出スロットル２が制御バルブ６とノズルアセンブリ１０との間に配置されている。ノズルアセンブリは燃料を搬送させる液圧式に作動可能なニードル（針部）を有している。ニードルは、供給排出スロットル２と共に制御バルブ６によって制御される。一般的に、スルーフローリミッタ（通過流制限装置）１４がノズルアセンブリ１０への供給ライン内に安全部材として提供されているが、必ずしも必要ではない。

図２は、従来技術から知られている、噴射動作中の貯蔵容積部２０内の圧力変化を示している。

圧力変化を検出するため、この目的で貯蔵容積部２０には、噴射動作中の圧力変化を検出できる圧力センサ９が配置されている。貯蔵容積部２０内の圧力は、図中において、クランク角（°）に対してｂａｒ（バール）でプロットされている。図示されたイベント（現象）の時間区分は、クランク角（°）で表されている。

噴射開始前の貯蔵容積部２０内の圧力は、高圧レール８内の圧力に対応している。

ＳＯＣ（通流開始）時期では、液流は、噴射がデッドタイム（不作動時間）Ｔ_ｔ後に始まるように燃料噴射器１に供給される。

ＳＯＩ（噴射開始）時期での噴射開始後、貯蔵容積部２０内の圧力は噴射終了時期（ＥＯＩ）に到達される値にまで降下する。

噴射期間は、符号ＩＤによって示されている。

貯蔵容積部２０内の観察された圧力降下は、図中でΔｐによって示されている。

燃料の噴射量または質量は、高圧レール８内の圧力、噴射期間、貯蔵容積部と高圧レール８との間の開口部３の実効通流断面積（effective flow cross-section）、燃料の流動特性などのパラメータを知ることで圧力変化から計算できる。換言すれば、燃料の噴射量はこれらのパラメータでの関数である。

データ品質、よって燃料の噴射質量の計算の精度は、貯蔵容積部２０での圧力測定の分析精度（分解能）に依存している。一方、圧力信号は、開口部３の実効通流断面積と貯蔵容積部２０の容量とに大いに依存している。自由（利用可能な；free）開口部断面積が大きいほど、貯蔵容積部２０が大きいほど、それに対応して噴射動作中の圧力降下Δｐが減少する。したがって、燃料量の計算、特に少量の噴射が必要とされる場合の燃料量の計算は、困難となり、精度は不十分となる。

図３は、本発明の第１実施例による燃料噴射器１を示している。

この場合には、二つの副容積部２１、２２は直列に配置されている。副容積部２１、２２は共同で貯蔵容積部２０を形成している。

第１の開口部３は、第１の副容積部２１と高圧レール８との間に提供されている。別の開口部７は、貯蔵容積部２１と２２との間に配置されている。開口部７は、バイパス形態の切換要素２１によって迂回（バイパス）され得る。図示の実施例では、切換要素１２は電気駆動切換バルブ（電気的に駆動可能な切換バルブ）の形態である。切換要素１２には、その他の形態、例えば空圧作動式または液圧作動式のバルブなどが考えられる。

例えばデュアル（二元）燃料モードで必要とされる少量の燃料だけが噴射される場合、切換要素１２は閉じられる。これは、副容積部２１と２２との間の流体通流が別の開口部７によって決定されることを意味している。別の開口部７は、深刻な遅延を伴う場合のみ、流体が副容積部２１から副容積部２２にさらに流入することができるように設計されている。換言すれば、副容積部２１と２２との間には利用可能な小さい自由開口部断面のみが存在しており、その結果、燃料取り出し特性は副容積部２２によって実質的に決定される。

さらに多くの燃料噴射量が要求される場合には、切換要素１２はさらに大きい自由総通流断面を開くように切り換えられる。このようにして、貯蔵容積部２１と２２とは、燃料取り出し特性が共通容積部２０、すなわち副容積部２１、２２の総量に対応するよう、実質的に非絞り（non-throttled）関係で互いに連通している。

あらゆる中間的な段階も当然に想定できる。すなわち副容積部２１と２２との間の切換要素１２は、無段的に、または最小位置と最大位置との間で段階的に変化できる。しかしながら、切換要素１２の切換位置が二つだけである２要素構成方法の方が、実施が安価であり、そのため好適である。最大位置とは、切換要素１２が完全に開いた状態を意味しており、よって容積部２１と２２との間には液圧減衰は存在しない。

実際には、副容積部２１と２２との構成は、副容積部２２がデュアル燃料モードに適した容量を有するように設計されている。換言すれば、前述のごとく、副容積部２２の容量はデュアル燃料モードにおける噴射量の３０倍から８０倍に対応する。

対照的に、副容積部２１は、副容積部２２との組合せにおいて、ディーゼルモードにおける噴射量の３０倍から８０倍に対応する、副容積部２１と２２との総容積２０となるように寸法化されている。この点における数値的な例としては、運転サイクル毎に噴射される容積が１０００ｍ^３であるディーゼルモードでの噴射量を１００％とする。これで副容積部２１と２２との総容積の容量は、３００００ｍｍ^３から８００００ｍｍ^３（３万から８万）の範囲の許容総容積となる。

２００（１００）のターンダウン比で、デュアル燃料モードの副容積部２２の大きさを、副容積部２１と２２の総容積の１／２００（１／１００）とし、よって１５０から４００（３００から８００）ｍｍ^３の範囲となる。ブラケット内の値は、ターンダウン比１００に関連する。

圧力センサ９は貯蔵容積部２２に設置できる。副容積部の本発明による構成によって、それぞれ使用される容積と噴射量とは適切な比率にある。その適切な比率は噴射中の圧力変化のさらに正確な測定を可能にする。これによって、噴射量のさらに正確な計算が可能になる。

従来技術に対応するノズルアセンブリ１０をさらに示すが、より詳細な説明はしない。この実施例では、アセンブリ１０は、制御バルブ６によって液圧で作動可能であり、制御装置１１による切換パルスを受領する噴射ニードル（噴射針部）を含んでいる。当然ながら、噴射ニードルはピエゾインジェクタの形態でもよい。この場合には、液圧作動に必要なノズルアセンブリ１０の構成部材は当然に排除される。一般的には、スルーフローリミッタ１４がノズルアセンブリ１０への供給ラインにおける安全部材として提供されているが、必ずしも必要ではない。

図４は、副容積部２１と２２の平行構成の１実施例を示している。したがって貯蔵容積部２０の副容積部２１と２２とは、並流関係で配置されている。副容積部２１は高圧レール８から開口部３を介して供給される。貯蔵容積部２０は、電気的に駆動可能な切換要素１２によって切り換えられる。

例えばデュアル燃料モードで必要されるような少量の燃料のみが噴射される場合、切換要素１２は閉じられる。切換要素１２が閉じられると、副容積部２１とノズルアセンブリ１０との間の流体連通が遮断される。この場合には、噴射特性は小さい方の副容積部２２によって決定される。副容積部２２は、高圧レール８から別の開口部１５を介して供給される。

ディーゼルモードとしてさらに多量の燃料が噴射される場合には、切換要素１２は開かれる。したがって、副容積部２１と２２を両方とも燃料を取り出すために利用できる。

破線で示す楕円では、符号１２’で示されている切換要素１２の別実施例が強調されている。切換要素１２’は、副容積部２１内の圧力によって直接切り換えられるバルブである。

図示の形態とは異なり、燃料噴射器１には高圧レール８ための２つの入口部が提供されていなくてもよい。副容積部２１、２２の上流側で適切に分岐する一つの入口部でも十分である。その変形例は、図４では、開口部１６を備えた破線で示されている。この場合には、開口部１６が開口部１５を代用している。開口部１５が内部に配置されている高圧レール８へのライン部分は排除されている。したがって、高圧レール８との連通は開口部３によって実行される。

圧力センサ９を貯蔵容積部２２に再び設置できる。燃料噴射器１の残りの構造は図３の構造と対応している。その利点は、図３の実施例に関連して解説した内容と同じである。図３に関連する値を、数値的な例として利用できる。

図５は、可変副容積部２１、２２の１実施例を示している。

この目的のため、副容積部２１と２２とを互いに分離する移動可能なピストン１８が提供されている。副容積部２１の内部は、スロットル２６を通してスプリングチャンバ（バネチャンバ）２４と通流している。

図示のピストンでは、（小さい方の）副容積部２２はノズルアセンブリ１０と流体連通しており、すなわち噴射量は、例えばデュアル燃料モードで要求されるように、副容積部２２から取り出される。この運転状態では、高圧レールに関する絞りは開口部４を介して実行される。

制御バルブ２３が作動すると、内部にスプリングパック（バネパック；spring pack）１９が配置されているスプリングチャンバ２４は圧力から解放される。そこで、ピストン１８がこの図では下方に移動する。

図示の実施例では、副容積部２１はオーバーフローライン１７によって副容積部２２への供給ラインに接続されており、ピストン１８が予め設定可能な位置を越えて移動するとすぐに、ピストン１８によって予め閉じられていたオーバーフローライン１７が開かれる。したがって、ピストン１８はオーバーフローライン１７に対するスライダ（遮断子；slider）として作用する。この結果、予め分離されていた副容積部２１、２２が接続される。その後、燃料は副容積部２１、２２によって形成される総容積から取り出される。作動しているピストンは、さらに多量の噴射量が必要とされるディーゼルモードのために選択される。

可変副容積部２１、２２を備えた別実施例を図６に示す。ここではピストン１８は、制御バルブ２３が閉鎖した状態のままである限り、副容積部２２に関して副容積部２１を閉鎖する。この状況では、燃料は、例えばデュアル燃料モードで要求されるように、（小さい方の）副容積部２２から取り出される。

制御バルブ２３を開放すると、内部にスプリングパック１９が配置されているスプリングチャンバ２４が荷重から解放される。この結果、ピストン１８は副容積部２２内の圧力によって、スプリングパック１９とは反対方向に（図では上方に）移動する。副容積部２２内の液圧に関するピストン１８の作動（operative）表面積はほとんど均一なのでスプリングチャンバ２４の荷重開放は前述の動作を発生させる。

よって、ピストン１８のヘッド部（頭部）（ここでは図示せず）は、副容積部２１に対して副容積部２２を開放する。この結果、分離されていた副容積部２１と２２が接続される。例えばディーゼルモードには有利であるように、副容積部２１、２２によって形成された総容積から燃料が取り出される。副容積部２１、２２の間の連通はオーバーフローライン１７を通して行われる。

図７は、可変貯蔵容積部２０の１実施例を示している。ここでは、貯蔵容積部２０は個別の副容積部２１、２２に分割されていないが、貯蔵容積部２０全体は、ノズルアセンブリ１０に接続されているその容積が変化できるように設計されている。

この目的のため、移動可能なピストン１８が提供されており、ピストン１８の移動によってノズルアセンブリ１０と連通している貯蔵容積部２０が変化する。ピストン１８は、スプリングパック１９によって容積部２０に向けて押圧されている。スプリングパックはここでは、例えばコニカルスプリング（円錐形バネ）の形態で提供されている。この図は、最小の貯蔵容積部２０に関係する端部位置にあるピストン１８を示している。これは、デュアル燃料モードでの位置に対応するであろう。有利には、この位置では貯蔵容積部２０は（小さい方の）副容積部２２の容積に対応した容積である。スプリングパック１９は、この場合には応力から解放される。

スプリングチャンバ２４が制御バルブ２３を介して減圧状態に切り換えられると、高圧レール８の圧力が貯蔵容積部２０に適用されるので、ピストン１８がスプリングパック１９とは反対に（図では上方に）移動する。

この結果、燃料取得のために利用できる貯蔵容積部２０が増量され、同時にオーバーフローライン１７が開かれる。この構成は、ピストン１８が第２のアバットメント（当接）ポイントに戻ると（すなわちスプリングパック１９が圧迫されて）、結果としての貯蔵容積部２０はディーゼルモードに合わせたサイズになる。

図８は、可変貯蔵容積部２０での別実施例を示している。デュアル燃料モードとディーゼルモードの運転モード間での切換を提供するため、パッシブバルブ（passive valve）の形態のバルブ２５のバネ力は、高圧レール８で通常はディーゼルモードでは（デュアル燃料モードでよりも）大きい圧力で、ピストン１８が大きい方の貯蔵容積部２０の方向に付勢され、同時にオーバーフローライン１７が開放されるような大きさである。この図では、これは上方移動に対応する。図７に関連する前述の解説は、利点とサイズに関して当てはまる。

図９は、デュアル燃料モードにおける噴射プロセスにて少量の燃料を取り出す場合の、クランク角（°）に対する貯蔵容積部の圧力変化を示している。

従来技術による燃料噴射器１の場合には（図１に示すように、ここでは貯蔵容積部２０であるが、実際には従来技術では不変容積部だけが存在する）、圧力形態では測定可能な降下がほとんど存在しない。（最上の）実線は、貯蔵容積部２０での圧力形態を示しており、これは図２でも別のスケールで示されている。

破線は、副容積部２２での本発明による燃料噴射器１の圧力形態を示している。十分に測定可能な明確な圧力形態が存在する。

レール圧力（高圧レール８での圧力）は、典型的には、それぞれの運転状況に応じて１０００バールと２５００バールの範囲内である。噴射プロセスで観察される従来技術による圧力降下は、デュアル燃料モードでは数バール程度であり、ディーゼルモードでは約１００バール程度である。

本発明による噴射プロセスで観察される圧力降下は、デュアル燃料モードでは例えば５０バールから１００バール程度、ディーゼルモードでは約１００バール程度である。

測定の精度はそのように改善できる。

１ 噴射器
２ 供給排出スロットル
３ 開口部
４ 開口部
６ 制御バルブ
７ 開口部
８ 高圧レール
９ 圧力センサ
１０ ノズルアセンブリ
１１ 制御装置
１２、１２’ 切換要素
１３ 移動本体部
１４ スルーフローリミッタ
１５ 開口部
１６ 開口部
１７ オーバーフローライン
１８ ピストン
１９ スプリングパック
２０ 貯蔵容積部
２１、２２ 副容積部
２３ 制御バルブ
２４ スプリングチャンバ
２５ パッシブバルブ
２６ ピストンでの開口部

Claims (12)

1. 貯蔵容積部（２０）を有する燃料噴射器（１）であって、前記貯蔵容積部（２０）は運転時に制御信号によって変化させることができることを特徴とする燃料噴射器。
2. 前記貯蔵容積部（２０）は、全体容積部として作用するように、切換要素（１２）によって接続できる少なくとも二つの副容積部（２１、２２）を備えていることを特徴とする請求項１記載の燃料噴射器。
3. 前記少なくとも二つの副容積部（２１、２２）の構成は並流関係であることを特徴とする請求項２記載の燃料噴射器。
4. 前記少なくとも二つの副容積部（２１、２２）の構成は直流関係であることを特徴とする請求項２記載の燃料噴射器。
5. 前記少なくとも二つの副容積部（２１、２２）の間には、前記副容積部（２１、２２）間の流体連通を変化させるための切換要素（１２）が提供されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の燃料噴射器。
6. 前記切換要素（１２）は、電気的にまたは液圧で駆動可能な切換バルブであることを特徴とする請求項５記載の燃料噴射器。
7. 前記貯蔵容積部（２０）は、容量を変化させることができる空洞部の形態であることを特徴とする請求項１記載の燃料噴射器。
8. 前記貯蔵容積部（２０）の容量は、ピストン（１８）によって変化させることができることを特徴とする請求項７記載の燃料噴射器。
9. 前記ピストン（１８）は、前記貯蔵容積部（２０）内で可動であることを特徴とする請求項８記載の燃料噴射器。
10. 請求項１から９のいずれか１項に記載の燃料噴射器（１）を有する内燃機関。
11. 制御ユニットが提供されており、前記制御ユニットの信号によって前記燃料噴射器（１）の前記貯蔵容積部（２０）の容量を変化させることができることを特徴とする請求項１０記載の内燃機関。
12. 請求項１から９のいずれかに記載の燃料噴射器（１）を有する内燃機関の運転方法であって、前記燃料噴射器（１）の前記貯蔵容積部（２０）の容量は、前記内燃機関の運転状況に応じて変更されることを特徴とする運転方法。