JP3597910B2 - ピストン往復動型内燃機関における燃料噴射装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、計量ピストン、計量ピストンの制御用の案内エレメントを備えた制御ピストン及び圧力下にある燃料を計量ピストンに供給する供給路を備えたピストン往復動型内燃機関の燃料噴射装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
この種の噴射装置内へ、例えばディーゼル機関において、燃焼用燃料は高圧状態にてシリンダ内へ噴射される。噴射処理は特有の周期、即ち適時かつ適量にて行われるようになっている。従来のカム制御装置を備えた燃料噴射システムは機械的に複雑であることに加えて、例えば燃料消費量及び排気量の最適化の点では順応性に限度がある。計量ピストン及び同計量ピストンの制御用の案内エレメントを備えた制御ピストン及び圧力下にある燃料を計量ピストンに供給する供給路を備えたピストン往復動型内燃機関の燃料噴射用装置のような類似噴射システムは乗用車及びトラック用として周知であるが、これらのシステムの全ては重油の使用には不向きであり、単に時間制御式の燃料計量を行うだけであり、高圧燃料タンクは漏出に対して無防備である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、噴射処理を向上させて極めて優れた耐漏出性を有し、正確に稼動する噴射装置を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段及び作用】
上記目的を達成するため、本発明の噴射装置では、計量ピストンと、同計量ピストンを制御するための案内エレメントを備えた制御ピストンと、圧力下にある燃料を計量ピストンに供給する燃料供給路とを備え、制御ピストンは第１及び第２の案内エレメントを備えるとともに、その孔内において、第１及び第２の２つの端部位置を占めることが可能であり、燃料噴射装置は計量ピストンの作動によってその容積を変更可能な圧力室を備え、複数の燃料供給路の内、第１燃料供給路は、燃料供給装置から供給される燃料によって計量ピストンを加圧するために、同ピストンの後端まで燃料を案内し、計量ピストンは差動ピストンとして形成され、同複数の燃料供給路の内、第２燃料供給路及び第３燃料供給路は、制御ピストンが第１の端部位置に配置された時に、第１案内エレメントにより互いに連通されて、圧力室と第１燃料供給路とを接続し、ピストン往復動型内燃機関のシリンダの噴射ノズルと同圧力室との間には第４及び第５燃料供給路が設けられ、制御ピストンが第１の端部位置に配置された時に、第４燃料供給路と第５燃料供給路との連通が遮断され、制御ピストンが第２の端部位置に配置された時、第２燃料供給路と第３燃料供給路との連通が遮断され、かつ、第４燃料供給路と第５燃料供給路とが第２案内エレメントにより連通されることをその要旨とする。
【０００５】
【実施例】
以下、本発明を具体化した一実施例を図１及び図２に従って説明する。
図１及び図２は燃料供給装置としての高圧ポンプ８及びアキュムレータ８１によって燃料が供給される噴射装置１を示している。燃料流入路２は分岐されて主流路２２及び分岐流路２１に分かれている。分岐流路２１は差動ピストンとして形成された計量ピストン３の上流側に配置されている。主流路２２は制御ピストン４の案内エレメント４１としての溝を介して計量ピストン３の圧力室３０における流入路２３に燃料を案内する。供給路及び帰還路を有する電動油圧式制御装置としての制御油圧装置６の前制御弁６１を圧油にて作動させると、制御ピストン４の上端４３が下方に移動する。前制御弁６１は適時かつ適量にて燃料噴射を確実に行う電動油圧式制御装置としての電動式レギュレータ７から制御指令を受ける。こうして信号が、例えば機関のシャフトにおける角度検出器７１によってレギュレータ７に送信される。例えば誘導的に作動する比較装置としての送信器７２は計量ピストン３の位置に関する信号をレギュレータ７に送信する。こうして一噴射工程当りの燃料噴射量を確定かつ変更することが可能になる。
【０００６】
制御ピストン４が下方に運動中に主流路２２と流入路２３との連通が遮断される。その後、流出路２４は制御ピストン４の案内エレメント４２としての溝を介して、ディーゼル機関５のシリンダ５３の噴射ノズル５１に通じる噴射流路２５に連通される。燃料が流路２１を介して計量ピストン３の後端３１に圧力を加えることによって計量ピストン３が動作する。こうして、ディーゼル機関５のシリンダ圧力室５２に燃料が噴射される。
【０００７】
前制御弁６１が閉じられ、圧油の帰還路が開放されると、制御ピストン４の下端４４に作用する燃料圧力及びバネの力によって制御ピストン４が上昇される。噴射流路２５への燃料供給が遮断され、燃料の噴射が完了する。
【０００８】
例えば、図１の制御ピストン４において高圧下にある燃料を３つの箇所が継続的に密閉される。最も重要な密閉箇所、特に噴射ノズル５１と連絡した密閉箇所は弁座４５として形成され、噴射ノズル５１との連絡部としての噴射流路２５は個々の噴射処理の間にて加圧されることはない。弁座４５は閉鎖状態にあるときは完全に密閉され、無制御噴射を阻止できる。残りのシール４６において、制御ピストン４の締まりばめが利用され、僅かな量の燃料の漏出が許容され、この漏出した燃料が帰還流路２７を介して再度燃料タンク中に戻される。
【０００９】
図２は密閉箇所としてのシール４６を２つだけ備え、漏出量が非常に少なくなった制御ピストン４を示している。この実施例においては、高圧燃料を３つの密閉箇所にて継続的に密閉する。この実施例は図１の噴射装置１よりも油圧効率が高い。また、噴射装置１は加熱されるが、これは漏出量が少ないことに起因するわけではない。
【００１０】
制御ピストン４のブロックが如何なる位置を占める場合においても、流路２２と流路２５との間は完全に密閉されることはない。不適当な圧力上昇及び引き続いての不適当な噴射を阻止すべく、安全弁８０を開放することによって流路２５における圧力は低下させられる。
【００１１】
制御ピストン４の寿命を延ばすべく、制御ピストン４の表面が硬化されている。硬化するための処理方法は特定されるものでなく、適宜に好ましい方法を利用することができる。制御ピストン４及びこれに関連するライナーは摩耗した時に容易に交換できるように形成可能である。こうして、ライナーはコーンとしてハウジングの中に挿入可能となり、このライナーと制御ピストン４とを完全な制御ユニットとして交換することが可能かつ容易になる。
【００１２】
１つの制御ピストン４を用いて、ピストン往復動型内燃機関のシリンダ５３の複数の噴射ノズル５１を同時に作動させることができる。特に高速の前制御弁６１を使用する時、全負荷中或いは部分負荷中において機関の要求に対して噴射処理制御を最適化することができる。
【００１３】
加えて、関連する前制御弁６１及び噴射弁を備えた複数の制御ピストン４を１つの計量ピストン３とともに配置できる。この場合、シリンダ５３の個々の噴射ノズル５１を一時的に個々に作動させることができる。
【００１４】
レギュレータ７に用いられる送信器７２は誘導作用によって効果的に作動する。しかし、計量ピストン３の位置を監視かつ測定するには、容量性、光学的、磁気的或いは他の方法で作動する他の計測システムが適している。噴射装置１の機能精度に対する遅延時間、即ちシステムの遅延の影響を最低限に抑えるべく、適応部品を備えた適応噴射調整システム７；３２，７２；６，６１を設けることができる。
【００１５】
計量ピストン３の実際の位置及び速度の監視及び制御については計量ピストン３の設定位置及び設定速度と何時でも比較できる。
偏差、即ち設定値と実際値との差からレギュレータ７によって燃料噴射量の過少又は過多或いは燃料噴射速度の遅速を認識することができる。これら偏差の大きさは、例えば予め設定された制限値の範囲内において警報装置を鳴らし、影響されたシリンダの噴射を抑止し、機関の動力を低下させるのに利用できる。
【００１６】
図示した例において、制御ピストン４は高圧下にある燃料によって閉じる方向に作動させられる。１つの例では、制御ピストン４が更にバネによって作動させられる。しかし、制御ピストン４を作動させるには、他の作動形態、例えば開く方向のみならず閉じる方向にも有効な個別の油圧式作動方法も好適である。例における制御ピストン４は１つの部品として記載かつ図示されている。しかし、複数の部品から、おそらくは相異なる素材又は処理方法が異なる素材からでも制御ピストン４を容易に構成することができる。そして、個々の部品は互いに強固に連結され、或いは制御ピストン４における圧力状態及び応力状態の結果、単に継続的に互いに接触可能になる。機械式カムシャフト及び油圧式ラックを用いて制御ピストン４を作動させることも考えられる。しかし、油圧式作動に欠陥があり、或いは作動しない場合にはこれは冗長構成になるだけである。
【００１７】
ディーゼル機関における噴射装置１は４００〜２０００バール以上の範囲の燃料圧力によって稼動し、油圧式制御回路における圧力は例えば１００〜４００バールの範囲の圧力によって作動可能である。
【００１８】
図示したような噴射装置１は重油のみならずディーゼル燃料の噴射にも使用できる。これにより、ディーゼル燃料を用いて冷えた機関５を起動させ、重油に必要な高い稼動温度に達した後に、燃料を速やかに重油に切り換えることが可能になる。
【００１９】
本発明の噴射装置１において、燃料噴射は制御ピストン４及び計量ピストン３によって制御かつ監視される。
制御ピストン４は電動式油圧制御弁を介して一方向において効果的に作動させられ、かつ切り換えられる。制御ピストン４の機械的作動が冗長性を理由として望ましいのであれば、これも可能である。
【００２０】
他方向においても対応する装置を設けることができ、即ち他方向における制御ピストン４は圧力下にある燃料、圧油を用いた別個の制御油圧装置又はバネによって作動させられる。
【００２１】
制御ピストン４は計量ピストン３における圧力室３０から機関５のシリンダ５３の噴射ノズル５１への燃料の吐出のみならず、計量ピストン３への燃料の吸入も制御する。案内エレメント４１，４２、例えば溝及び孔は、シリンダ５３の噴射ノズル５１への燃料流出路２４，２５と計量ピストン３への燃料流入路２，２２，２３とが、制御ピストン４が如何なる位置にあっても双方同時には開放されないように配置されている。
【００２２】
噴射を開始するには、制御ピストン４を基底部から浮揚させ、高圧燃料タンクから噴射ノズル５１に直接連絡が生じるようにする必要がある。計量ピストン３はこの連絡流路２１にあり、噴射処理中に燃料によって牽引される。計量ピストン３の断面にて拡大された流路２１の断面積が噴射燃料量に係る。この流路２１の断面積は、例えば流路センサーによって検出され、電気制御によってデータ処理されて、燃料噴射に関する最終段階の信号として前制御弁６１に伝送される。そして、これによって制御ピストン４の逆運動が誘発され、制御ピストン４の基底部が密閉され、高圧燃料タンクから噴射ノズル５１に至る連絡が遮断され、噴射が終了する。
【００２３】
こうして、計量ピストン３によって制御が容易な燃料噴射が実現される。例えば、単なる時間制御式噴射では不可能であるような、部分的に差し込まれ、或いは消耗した噴射ノズル５１の場合においても、噴射量を一定に保つことができる。点火圧力測定装置とともに、本発明に基づく噴射装置を用いることによって、点火圧力を許容値に調節することができ、常に最適の燃料消費量が得られる。
【００２４】
計量ピストン３は別の目的をも果たしている。制御ピストン４の制御又は閉塞に不調が生じた場合、計量ピストン３は稼動中の最大供給量に噴射量を制限する。こうした場合、電気制御装置は計量ピストン３における流路測定によって、噴射量が過多であったと判定することができる。こうして、次の更なる燃料噴射を抑制することができる。
【００２５】
この種の障害が発生した時、制御ピストン４は２０００バール以上の高圧下にある燃料を完全には密閉しないため、噴射路において圧力が上昇する。これを防止すべく、安全弁８０によって噴射路の圧力を低下させることができる。これにより無制御噴射を回避できる。更に、例えば計量ピストン３用流路センサーを用いて、噴射ノズル５１の破損についても間接的に判断できる。噴射処理中の計量ピストン３の速度が、こうした場合では通常よりも速くなるためである。この信号により、レギュレータ７は損傷した噴射ノズル５１を備えたシリンダ５３中への燃料噴射を抑止し、必要とあれば機関全体における負荷を低減し、かつ／或いは表示装置によって欠陥を示すようにすることができる。
【００２６】
制御ピストン４への燃料供給装置８，８１が定時に閉鎖され得るように、計量ピストン３の流路測定装置の信号に案内値を付加する必要がある。これによって障害を受けない調整が可能になり、速度調整器に必要な燃料噴射量が限度を超えないようにしている。機関５の起動中、この案内値は近似値として記憶される。起動後、この値は適応噴射調整システム７；３２，７２；６，６１によって継続的に瞬間的な状態に合わせられる。
【００２７】
複数の制御ピストンに用いられる１つの計量ピストン３を備えた噴射装置１を形成するのは容易に可能であり、この場合、計量ピストン３の圧力室３０への燃料供給２，２２，２３は全ての制御ピストンにわたって連続的に案内されるようにする。この種の配置において、噴射ノズル５１への燃料供給路２４，２５が全て閉鎖されることにより、圧力室３０内に燃料が流入可能になる。一方、全ての制御ピストンが開放されることにより、燃料噴射が可能になる。
【００２８】
本発明における噴射装置１では極めて優れた耐漏出性を有し、容量に相対するように正確に稼動する燃料噴射装置１が実現される。
噴射装置１は差動ピストンとして形成され、かつ圧力下にある燃料によって作動させられる計量ピストン３を用いて稼動する。計量ピストン３は上流側において２０００バール以上もの高圧下にある燃料の作用を受ける。制御ピストン４は、例えば電気制御可能な電動式油圧制御装置７；６，６１によって２つの端部位置間を往復運動させられる。制御ピストン４は燃料用の案内エレメント４１，４２を有し、これら案内エレメントによって燃料ポンプから計量ピストン３の圧力室３０に燃料が供給され、或いは圧力室３０からピストン往復動型内燃機関５のシリンダ５３に燃料が供給される。案内エレメント４１，４２、即ち溝及び孔はシリンダ５３の噴射ノズル５１と高圧燃料ポンプ８とに決して、即ち如何なる位置においても、同時には連通しないように効果的に配置されている。
本発明は、１つ以上の高圧ポンプ８と１つ以上の圧力アキュームレータ８１とを有することを特徴とする噴射装置に具体化してもよい。
本発明は、本発明の噴射装置を複数個備え、かつ内燃機関５の複数のシリンダ５３の中に燃料を噴射するための複式噴射装置に具体化してもよい。
本発明は、計量ピストン３を上回る数の制御ピストン４を備えることを特徴とする複式噴射装置に具体化してもよい。
本発明は、１つのシリンダ５３の複数の噴射ノズル５１を駆動するために１つの計量ピストン３を備えることを特徴とする複式噴射装置に具体化してもよい。
本発明は、燃料供給装置８，８１からの燃料を複数の制御ピストン４の各々に設けられた案内エレメント４１，４２を介して対応するシリンダ５３の噴射ノズル５１に連続的に案内することを特徴とする複式噴射装置に具体化してもよい。
【００２９】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、噴射処理を向上させ、極めて優れた耐漏出性を有し、容量に相対して正確に稼動できるという効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１噴射装置の概略部分断面図。
【図２】図１の第１噴射装置とは制御ピストンの具体例が異なる第２噴射装置の概略部分断面図。
【符号の説明】
１…噴射装置、２，２２，２３；２４，２５……燃料供給路、３…計量ピストン、４…制御ピストン、５…ピストン往復動型内燃機関、８…燃料供給装置としての高圧ポンプ、２１…流路、４１，４２…案内エレメント、５１…噴射ノズル、５３…シリンダ、８１…燃料供給装置としてのアキュムレータ。

Claims (13)

1. 計量ピストン（３）と、同計量ピストン（３）を制御するための案内エレメント（４１，４２）を備えた制御ピストン（４）と、圧力下にある燃料を計量ピストン（３）に供給する燃料供給路（２，２２，２３）とを備えたピストン往復動型内燃機関（５）の燃料噴射装置（１）において、
   前記制御ピストン（４）は第１及び第２の案内エレメント（４１，４２）を備えるとともに、その孔内において、第１及び第２の２つの端部位置を占めることが可能であり、
   前記燃料噴射装置（１）は前記計量ピストン（３）の作動によってその容積を変更可能な圧力室（３０）を備え、
   前記燃料供給路（２，２２，２３）の内、第１燃料供給路（２）は、燃料供給装置（８，８１）から供給される燃料によって前記計量ピストン（３）を加圧するために、同ピストン（３）の後端（３１）まで燃料を案内し、前記計量ピストン（３）は差動ピストンとして形成され、
   前記燃料供給路（２，２２ , ２３）の内、第２燃料供給路（２２）及び第３燃料供給路（２３）は、前記制御ピストン（４）が第１の端部位置に配置された時に、前記第１案内エレメント（４１）により互いに連通されて、前記圧力室（３０）と前記第１燃料供給路（２）とを接続し、
   ピストン往復動型内燃機関（５）のシリンダ（５３）の噴射ノズル（５１）と前記圧力室（３０）との間には第４及び第５燃料供給路（２４，２５）が設けられ、
   前記制御ピストン（４）が第１の端部位置に配置された時に、前記第４燃料供給路（２４）と前記第５燃料供給路（２５）との連通が遮断され、
   前記制御ピストン（４）が第２の端部位置に配置された時、前記第２燃料供給路（２２）と前記第３燃料供給路（２３）との連通が遮断され、かつ、前記第４燃料供給路（２４）と前記第５燃料供給路（２５）とが前記第２案内エレメント（４２）により連通されることを特徴とする噴射装置。
2. 前記第２燃料供給路（２２）と前記第３燃料供給路（２３）との間が連通されている場合は前記第４燃料供給（２４）と前記第５燃料供給路（２５）との間が遮断され、かつ前記第２燃料供給路（２２）と前記第３燃料供給路（２３）との間が遮断されている場合は前記第４燃料供給路（２４）と前記第５燃料供給路（２５）との間が連通している請求項１に記載の噴射装置。
3. 前記制御ピストン（４）を駆動するための電動式油圧制御装置（７；６，６１）を備えた請求項１及び２のいずれか１項に記載の噴射装置。
4. 前記計量ピストン（３）の瞬間位置を監視し、計量ピストン（３）の実際の位置及び／又は速度と予め設定された位置及び／又は速度とを比較するための装置（３２，７２）を備えた請求項３に記載の噴射装置。
5. １つ以上の高圧ポンプ（８）と、１つ以上の圧力アキュムレータ（８１）とを有する請求項１乃至４のいずれか１項に記載の噴射装置。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の噴射装置を複数個備え、かつ前記内燃機関（５）の複数のシリンダ（５３）の中に燃料を噴射するための複式噴射装置。
7. 前記計量ピストン（３）を上回る数の制御ピストン（４）を備えた請求項６に記載の複式噴射装置。
8. 前記１つのシリンダ（５３）の複数の噴射ノズル（５１）を駆動するために１つの計量ピストン（３）を備えた請求項７に記載の複式噴射装置。
9. 前記燃料供給装置（８，８１）からの燃料を複数の制御ピストン（４）の各々に設けられた案内エレメント（４１，４２）を介して対応するシリンダ（５３）の噴射ノズル（５１）に連続的に案内する請求項７及び８のいずれか１項に記載の複式噴射装置。
10. 前記ピストン往復動型内燃機関（５）のシリンダ（５３）内にディーゼル燃料及び重油のいずれかを噴射する請求項１乃至９のいずれか１項に記載の噴射装置。
11. 対応する実際値及び設定値の比較に基づいて噴射速度及び噴射量の少なくともいずれかを調整するための適応噴射調整システム（７；３２，７２；６，６１）を備えた請求項４乃至１０のいずれか１項に記載の噴射装置。
12. 請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の噴射装置を備えたピストン往復動型内燃機関。
13. 請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の噴射装置及び請求項１２に記載のピストン往復動型内燃機関の噴射装置のいずれかに用いられ、２つ又は３つの間隙シール（４６）と１つの弁座（４５）とを有する制御ピストン。

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