JP4154330B2 - 燃焼室内への燃料の噴射を制御する方法と該方法を実施するための燃料噴射装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃焼室内への燃料噴射を制御する方法であって、シリンダー内を往復するピストンを有するポンプに燃料を供給し、アクチュエータによって前記ピストンに力を加えることによって燃料に加圧して、前記ピストンを第一の端位置から第二の端位置に向って変位させるようにし、前記シリンダー内で加圧された燃料の体積の一部に相当する燃料を、燃焼室内に噴射する、各ステップから成る方法、に関する。本発明は、また、該方法を実施するための燃料噴射装置にも関する。

内燃機関の燃焼室内に高圧下の燃料を噴射するための装置は、ディーゼルエンジンの場合にはずっと以前から普通に用いられている。しかし、オットーエンジン（ａｕｔｏ
ｅｎｇｉｎｅ）の場合にも、同様の燃料噴射装置が使用できる。

異なるタイプの燃料噴射装置は異なる原理によって動作する。これらの装置のすべてに共通なのは、燃焼室内に噴射されるべき燃料を高圧にする高圧ポンプを有する、ということである。しかし、この高圧ポンプの駆動にはエネルギーが必要であり、また燃料噴射圧力が増大すると、この高圧ポンプの駆動にさらなるエネルギーが必要である。公知のタイプの燃料噴射装置は、噴射ニードルを備えた噴射弁を有し、該噴射ニードルは前記噴射弁に備えられた少なくとも一つの噴射開口と協働するようになっている。燃料圧力によってニードルを作動させることにより、燃料を燃焼室内に噴射させることができる。ニードルを作動させる燃料圧力は排気弁（ｓｐｉｌｌ ｖａｌｖｅ）によって制御される。該あふれ弁は、燃焼室内への燃料の噴射を停止すべきときに開いて、噴射弁内の圧力を低下させる。あふれ弁は、燃料圧力がまだ高いときに開くので、高圧ポンプによってなされるポンピング仕事の一部が失われる。そのため、このタイプの公知の噴射装置は低効率となる。また、あふれ弁の開放により、噴射弁および高圧ポンプ内で、圧力波、雑音、泡形成、およびキャビテーションが起こりうる。圧力波は噴射装置内にパルスを発生させ、これは燃焼室内への燃料噴射に好ましくない影響を与える。エンジンがアイドリングしている場合および低負荷の場合には特にそうである。また、公知の噴射装置では、高圧ポンプにより短時間に高圧を発生させるために、相当の力とトルクとが必要である。これは、噴射ポンプの駆動のための機械式伝動装置を、大きな力とトルクとに合わせて寸法決めしなければならないということであり、そのために機械式伝動装置にかかる費用が大きくなる。公知の装置のもう一つの欠点は、あふれ弁が故障してその閉鎖位置で動きがとれなくなって開けることができなくなった場合、噴射器および／または伝動装置が燃料の高圧によって故障しうるということである。

したがって、本発明の一つの目的は、公知の燃料噴射法と燃料噴射装置に比して小さな強度とエネルギーしか必要でない燃料噴射法と燃料噴射装置を実現することである。

本発明のもう一つの目的は、公知の燃料噴射法と燃料噴射装置に比して大きな効率を有する燃料噴射法と燃料噴射装置を実現することである。

本発明のさらにもう一つの目的は、噴射弁および高圧ポンプ内での、圧力波、雑音、泡形成、およびキャビテーションを最小限に抑える、燃料噴射法と燃料噴射装置を実現することである。

本発明のさらにもう一つの目的は、高圧ポンプが発生させうる最大の燃料圧力で働きうる、燃料噴射法と燃料噴射装置を実現することである。

本発明のさらにもう一つの目的は、噴射器ポンプピストンを駆動する伝動装置における最大トルクと歯にかかる力（ｔｏｏｔｈ ｆｏｒｃｅ）、およびトルクと歯にかかる力の時間微分係数を相当に低下させることである。

以上の目的は、本発明により、冒頭に述べた種類の方法において、ピストンを加圧燃料によって第一の端位置に戻すことにより、ピストンが動力手段に駆動力をおよぼすようにすることによって、達成される。

以上の目的は、また、燃料に加圧するように配置されたポンプ、加圧燃料の体積の一部を燃焼室内に噴射するように配置された噴射弁、該噴射弁内に配置され、該噴射弁に配置された少なくとも一つの噴射開口と協働するように作られた噴射ニードルであって、第一および第二の燃料圧力受け面を備えた噴射ニードル、燃料の燃焼室内への噴射を制御するように構成された制御ユニット、から成る冒頭に述べたタイプの燃料噴射装置によって、達成される。この燃料噴射装置は、前記噴射弁に接続されたニードル制御弁を有し、該ニードル制御弁が、前記制御ユニットからの信号によって、前記噴射ニードルの前記第二の圧力受け面に作用する燃料圧力に実質的に影響を与えることなく前記噴射ニードルの前記第一の圧力受け面に作用する燃料圧力を制御するように構成されている、ことを特徴とする。

燃焼室内への燃料噴射を制御する前記方法、および該方法を実施するための前記燃料噴射装置により、該燃料噴射装置内の加圧流体中に蓄えられたエネルギーの主要部分を、燃料の圧力解除時にアクチュエータにエネルギーを戻すことにより回収することができる。噴射弁および高圧ポンプ内での、圧力波、雑音、泡形成、およびキャビテーションを減少させ、あるいは完全に排除することができる。高圧下の燃料を、噴射の停止のために排出する必要がないからである。燃料噴射時刻の選択に大きな柔軟性が与えられる。流体の圧力の急激な変化が避けられるからである。燃料圧力が割合に長い時間をかけて高圧ポンプによって増大させられるので、高圧ポンプの駆動に必要な力が公知の噴射装置の場合に比して小さくなる。これは、駆動内燃機関と噴射装置との間に、割合に小さな寸法の伝動装置が使用できるということであり、したがって噴射装置の部品と噴射装置の製造とにかかる費用が小さくなる。

以下、添付の図面に示す実施形態を参照しつつ、本発明をさらに詳しく説明する。

実施形態１

図１は、本発明による燃料噴射装置の第一の実施形態を示す模式図である。燃料噴射装置１は、燃料を圧縮し加圧するように配置された高圧ポンプ２と、加圧流体の体積の一部を内燃機関５の燃焼室４内に噴射するように設計された噴射弁との形の二つの主要要素を有する。

高圧ポンプ２はシリンダー６内を往復するピストン７を有する。ピストン７は、アクチュエータ８によってピストン７が第一の端位置９から第二の端位置１０に進むように加えられる力を、ピストン７を通じて加えることによって燃料に加圧する。アクチュエータ８は、内燃機関たとえば５からのトルクが作用するカム軸８である。カム軸８上のカム１１は、シリンダー６内でのピストン７の往復運動を制御する。燃料は、タンク１２からシリンダー６に供給され、該タンク１２から低圧ポンプ１３によってシリンダー６に送られる。加圧燃料の噴射圧力が２０００ｂａｒを超えうるように、噴射装置１が作られ、高圧ポンプ２が制御される。この高圧を実現するためには、相当に大きなトルクがカム軸８に作用しなければならない。高圧ポンプ２が割合に長い時間をかけてこの圧力を生成させるようにカム１１を作ることにより、カム軸８からの必要トルクの大きさを小さくすることができる。これは、駆動内燃機関とカム軸８との間の伝動装置（図示せず）を低トルク用に寸法決めできるということを意味する。

噴射弁３は、該噴射弁３に配置された少なくとも一つの開口１５と協働するように設計された噴射ニードル１４を有する。図１には、二つの噴射開口１５が示してある。噴射弁３の部分１６は、内燃機関５の燃焼室４内に延び出て、噴射開口１５が燃焼室４内に配置されるようになっている。噴射ニードル１４には、燃料からの圧力が加わる第一および第二の面１７、１８が備えてある。第一の圧力受け面１７は、第二の圧力受け面１８よりも大きい。弾性材料たとえば圧縮ばねが、噴射ニードル１４を噴射開口１５に向かって押している。第二の圧力受け面１８に作用する燃料圧力による力が、第一の圧力受け面１７に作用する燃料圧力による力とばね要素１９からの力との和よりも大きい場合には、噴射ニードル１４は噴射開口１５から変位し、燃料が燃焼室４内に噴射されることになる。

噴射ニードル１４の第一の圧力受け面１７に作用する力は、噴射弁３に接続しているニードル制御弁２０によって制御される。ニードル制御弁２０は、制御ユニット２１からの信号に応じて、噴射ニードル１４の第二の圧力受け面１８に作用する燃料圧力に実質的に影響を与えることなく、噴射ニードル１４の第一の圧力受け面１７に作用する燃料圧力を制御するように構成されている。すなわち、制御ユニット２１は、所定のやり方でニードル制御弁２０に作用をおよぼすことにより、燃焼室４への燃料噴射を制御する。ニードル制御弁２０は、小さな過圧（ｏｖｅｒｐｒｅｓｓｕｒｅ）または大気圧にあるタンク１２に接続されている。ニードル制御弁２０を開放することにより、噴射ニードル１４の第一の受け面１７に作用する燃料圧力が低下する。

図１からわかるように、第一の燃料流路２２が高圧ポンプ２を噴射ニードル１４の第一の圧力受け面１７に接続している。第二の燃料流路２３が高圧ポンプ２を噴射ニードル１４の第二の圧力受け面１８に接続している。ニードル制御弁２０は第一の燃料流路２２に接続されている。ニードル制御弁２０が開放されたときに、噴射ニードル１４の第二の面１８に作用する燃料圧力に有意な程度の影響がないように、第一の燃料流路２２にはチョーク弁２４が配置されている。チョーク弁２４は、制御ユニット２１に接続され、チョーク弁２４の流れ通過面積（ｆｌｏｗ−ｔｈｒｏｕｇｈ ａｒｅａ）が制御ユニット２１によって制御できるようになっている。あるいは、チョーク弁２４は固定流れ通過面積とすることができる。圧力センサー２５が高圧ポンプ２と噴射弁３とに接続されている。この圧力センサー２５は燃料圧力に関する信号を制御ユニット２１に送るように構成されている。

噴射サイクル中、高圧ポンプ２のシリンダー６内で圧縮された燃料の全体積の一部だけが噴射される。したがって、燃料が燃焼室４内に噴射されたあと、噴射弁３、燃料流路２２、２３、およびシリンダー６内には加圧燃料が残る。残留加圧燃料は高圧ポンプ２のピストン７に力を加える。この力により、ピストン７は第一の端位置９に向って押される。ピストン７が第二の端位置１０に達して、ピストン７がカム１１の最高点を通過すると、ピストン７はカム１１に圧力をおよぼし、ピストン７がカム軸８を駆動することになる。動作の滑らかさを良くし、摩擦を減らすために、軸受け２６をピストン７とカム軸８との間に配置することができる。

したがって、燃料噴射は次のように制御される。燃料は、まず、高圧ポンプ２に供給される。そのあと、燃料には、カム軸８により、ピストン７が第一の端位置９から第二の端位置１０に変位するように該ピストンに力を加えることによって、加圧される。そのあと、シリンダー６内の加圧燃料の体積の一部に相当する燃料が燃焼室４内に噴射される。燃料が燃焼室８内に噴射されたあと、ピストン７は第一の端位置９に戻る。燃料噴射装置１内の残留加圧燃料により、ピストン７がカム軸８に駆動力をおよぼすように動かされるからである。この場合、燃料に加圧するというのは、燃料の圧力が増大することを意味する。これはまた、燃料の圧力が増大すれば、それに応じて加圧燃料の体積が減少するということをも意味しうる。

本発明による燃料噴射装置１により、燃料噴射タイミングと持続時間（すなわち、どれだけ長く燃料をしたがってどれだけ多くの燃料を燃焼室４内に噴射するか）を、制御することができる。図２には、第一の実施形態による燃料噴射装置１がどのように制御されるかをグラフで示す。上のグラフは、ピストン７の移動距離Ｌをカム軸角αの関数として示し、下のグラフは、燃料圧力ｐをカム軸角αの関数として示す。この図の最下部には、ニードル制御弁２０がどのように制御されるかを示す制御スケジュールが示されている。第一の端位置９から第二の端位置１０へのピストン７の変位は、この変位がカム軸角２４０゜のときに開始されるように選択することができる。注意すべきことは、エンジンの設計によっては、このカム軸角を、クランク軸の角位置に対してある程度位相がずれるように、すなわちこの線図の曲線がある程度右にずれるように、選択できる、ということである。すなわち、たとえば、ピストン７の第一の端位置９からの変位を、２４０゜よりも２、３゜遅れたカム軸角のときに開始させることができる。この変位が開始されると、制御スケジュールに示すように、ニードル制御弁２０が作動させられて、ニードル制御弁２０が開放される。ニードル制御弁２０が開放されているので、噴射装置１内での燃料圧力増大はない。前記位相のずれはエンジン効率と排出物（ｅｍｉｓｓｉｏｎｓ）とに関して最適化することができる。ここで示すすべての実施形態においては、この位相のずれは０゜である。しかし、すべての実施形態において、位相のずれを導入することが可能である。

時刻Ｔ１に、ニードル制御弁２０が閉じられ、噴射装置１内の燃料圧力が増大する。時刻Ｔ１はある限られた範囲内で変えることができる。早いＴ１を選択すると、最終圧力が大きくなる。時刻Ｔ２に、ニードル制御弁２０は開放され、燃料が前記のように燃焼室４内に噴射される。この燃料噴射は時刻Ｔ３にニードル制御弁２０を閉じることによって遮断される。時刻Ｔ２およびＴ３は、いつ噴射を開始すべきか、およびどれだけ長い時間燃料を噴射すべきか（すなわち、どれだけの体積の燃料を噴射すべきか）に応じて、変えることができる。時刻Ｔ３とＴ４との間で、ニードル制御弁２０が閉じられ、したがって、以下で詳しく述べるように、エネルギーをカム軸８に戻すことができる。エネルギーのこの再循環は、ピストン７が第二の端位置１０に達したとき、この実施形態の場合カム軸角α＝３６０゜のときに、開始される。また、燃料噴射装置１内が最大圧力に達するのもこの端位置通過の時点である。

図３は、高圧ポンプ２のピストン７の移動距離Ｌをカム軸８の回転角αの関数として示す。図３からわかるように、ピストン７は、割合に大きなカム軸角αの範囲において、第一の端位置９から第二の端位置１０まで移動する。第一の端位置への戻りの間に、エネルギーが、カム軸８に駆動力をおよぼすピストン７によってカム軸８に戻される。これによって、噴射装置１の効率が増大する。噴射装置で生成すべき圧力が大きいほど、エネルギー損失が大きくなる。したがって、噴射装置１のアクチュエータへのエネルギー再循環は大切である。したがって、本発明においては、噴射装置が、エネルギー損失が最小限に抑えられるように構成される。図３に示すようなピストン７の往復運動を実現するために、カム１１は、たとえば対称的な形状を有することができる。システムにおける圧力生成に影響を与えるカム１１の形状は、エンジン効率および／または振動および／または漏れに関して最適化することができる。図３の破線の曲線は、公知の技術においてピストンがどのように往復するかを示す。この場合、流体中での圧力生成は割合に短時間で行われ、相当の力を要する。高い燃料圧力を生成させるためには、噴射装置の駆動源と噴射装置自身との間に寸法の大きな伝動装置が必要である。

図４は、カム軸８のトルクＴをカム軸８の回転角αの関数として示す。高圧ポンプ２のピストン７がカム軸８によって第二の端位置１０に向って押されるときには、トルクＴは正である。すなわち、カム軸８からのトルクＴがピストン７に作用する。ピストン７がその第二の端位置１０にあるときには、カム軸８にトルクＴは作用しない。ピストン７が、高圧ポンプ２と噴射弁３内の燃料圧によって第一の端位置に向って押されるときには、トルクＴは負である。すなわち、ピストン７がカム軸８に駆動力をおよぼす。

実施形態２

図５は、本発明による燃料噴射装置１の第二の実施形態を模式的に示したものである。この実施形態と第一の実施形態との違いは、あふれ弁２７が高圧ポンプ２と噴射弁３とに接続され、制御ユニット２１からの信号に応じて、燃料の圧縮力が減少させられるようになっている、ということである。あふれ弁２７は、燃料をタンク１２に導く枝管２８に配置されている。あふれ弁２７は制御ユニット２１によって制御される。あふれ弁２７は、燃料の圧力生成を開始する時点を制御するのに使用することができ、また過大な圧力を防止するための安全弁として使用することができる。

実施形態３

図６は、本発明による燃料噴射装置１の第三の実施形態を模式的に示したものである。この実施形態と第一の実施形態との違いは、ニードル制御弁とチョーク弁が、燃料を第一および第二の燃料流路２２、２３に導く二方弁（ｔｗｏ−ｗａｙ ｖａｌｖｅ）２９で置き換えられている、ということである。二方弁２９は制御ユニット２１によって制御される。燃料を燃焼室４内に噴射すべきときには、二方弁２９は、第一の燃料流路２２をタンク１２に接続するように制御される。

図７には、第二および第三の実施形態による燃料噴射装置１がどのように制御されるかを、グラフの形で示す。上のグラフは、ピストン７の移動距離Ｌをカム軸角αの関数として示し、下のグラフは燃料圧力ｐを、カム軸角αの関数として示す。この図の最下部には、ニードル制御弁２０がどのように制御されるかを示す制御スケジュールが示されており、その上には、あふれ弁２７がどのように制御されるかを示す制御スケジュールが示してある。カム軸角α＝２４０゜のときに、第一の端位置９から第二の端位置１０に向かうピストン７の変位が開始される。注意すべきことは、この第二および第三の実施形態の場合にも、前述の位相ずれが可能であり、ピストンの変位の開始に２４０゜とは異なる角を選択することができる、ということである。時刻Ｔ１に、この変位が開始されると、あふれ弁２７が開放され、ニードル制御弁２０が閉じられる。あふれ弁２７が開放されているので、噴射装置１内での燃料圧力の増大はない。

時刻Ｔ２に、あふれ弁２７が閉じられ、噴射装置１内の燃料圧力が増大する。時刻Ｔ２はある限られた範囲内で変えることができる。早いＴ２を選択すると、最終圧力が大きくなる。時刻Ｔ３に、ニードル制御弁２０は開放され、燃料が燃焼室４内に噴射される。この燃料噴射は時刻Ｔ４にニードル制御弁２０を閉じることによって遮断される。時刻Ｔ２およびＴ３は、いつ噴射を開始すべきか、およびどれだけ長い時間燃料を噴射すべきかに応じて、変えることができる。時刻Ｔ４とＴ５との間に、前述のように、エネルギーがカム軸８に戻される。エネルギーがこのように戻っている間、あふれ弁２７もニードル制御弁２０も閉じてられている。この噴射システム内のどこかに圧力制限器を配置して、漏れ、該噴射システムの駆動手段の剛性、無効体積（ｄｅａｄ ｖｏｌｕｍｅ）、および燃料特性（たとえば粘性、温度、圧縮率、その他）の影響が小さくなるようにするのが適当でありうる。

本発明による燃料噴射装置の第一の実施形態を模式的に示す図である。 第一の実施形態による燃料噴射装置がどのように制御されるかを模式的に示すグラフである。 高圧ポンプのピストンの動きをカム軸の回転角の関数としてグラフの形で示す図である。 カム軸のトルクをカム軸の回転角の関数として線図の形で示す図である。 本発明による燃料噴射装置の第二の実施形態を模式的に示す図である。 本発明による燃料噴射装置の第三の実施形態を模式的に示す図である。 第二および第三の実施形態による燃料噴射装置がどのように制御されるかを線図の形で示す図である。

符号の説明

１ 燃料噴射装置
２ 高圧ポンプ
３ 噴射弁
４ 燃焼室
５ 内燃機関
６ シリンダー
７ ピストン
８ アクチュエータ（カム軸）
９ 第一の端位置
１０ 第二の端位置
１１ カム
１２ タンク
１３ 低圧ポンプ
１４ 噴射ニードル
１５ 開口
１６ ３の部分
１７ 第一の圧力受け面
１８ 第二の圧力受け面
１９ ばね要素
２０ ニードル制御弁
２１ 制御ユニット
２２ 第一の燃料流路
２３ 第二の燃料流路
２４ チョーク弁
２５ 圧力センサー
２６ 軸受け
２７ あふれ弁
２８ 枝管
２９ 二方弁
Ｌ ピストンの移動距離
ｐ 燃料圧力
Ｔ トルク
Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４ 時刻
α カム軸角

Claims (11)

1. 燃焼室内への燃料噴射を制御する方法であって、
   −シリンダー（６）内を往復するピストン（７）を有するポンプ（２）に燃料を供給し、
   −アクチュエータ（８）によってピストン（７）に力を加えることによって、ピストン（７）が第一の端位置（９）から第二の端位置（１０）に向って移動するようにして、燃料に加圧し、
   −シリンダー（６）内で加圧された燃料の体積の一部に相当する燃料を、燃焼室（４）内に噴射する、
   各ステップから成る方法において、
   ピストン（７）を加圧燃料によって第一の端位置（９）に戻すことにより、ピストン（７）が駆動力をアクチュエータ（８）におよぼすようにする、
   ことを特徴とする方法。
2. 燃料を燃焼室（４）内に噴射する時刻と燃焼室（４）内に噴射される燃料体積とが、ニードル制御弁（２０）によって制御されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 請求項１に記載の方法を実施するための燃料噴射装置であって、
   −燃料に加圧するように配置されたポンプ（２）、
   −加圧燃料の体積の一部を燃焼室（４）内に噴射するように配置された噴射弁（３）、
   −噴射弁（３）内に配置され、噴射弁（３）に配置された少なくとも一つの噴射開口（１５）と協働するように作られた噴射ニードル（１４）であって、第一および第二の燃料圧力受け面（１７、１８）を備えた噴射ニードル（１４）、
   −燃料の燃焼室（４）内への噴射を制御するように構成された制御ユニット（２１）、
   から成る燃料噴射装置において、
   噴射弁（３）に接続されたニードル制御弁（２０）を有し、該ニードル制御弁が、制御ユニット（２１）からの信号によって、噴射ニードル（１４）の第二の圧力受け面（１８）に作用する燃料圧力に実質的に影響を与えることなく噴射ニードル（１４）の第一の圧力受け面（１７）に作用する燃料圧力を制御するように構成されている、
   ことを特徴とする燃料噴射装置。
4. ポンプ（２）を噴射ニードル（１４）の第一の受け面（１７）に接続する第一の燃料流路（２２）と、ポンプ（２）を噴射ニードル（１４）の第二の圧力受け面（１８）に接続する第二の燃料流路（２３）とを備えていることを特徴とする請求項３に記載の燃料噴射装置。
5. ニードル制御弁（２０）が第一の燃料流路（２２）に接続されていることを特徴とする請求項４に記載の燃料噴射装置。
6. チョーク弁（２４）が第一の燃料流路（２２）内に配置されていることを特徴とする請求項４または５に記載の燃料噴射装置。
7. チョーク弁（２４）の流れ通過面積を調節することができ、制御ユニット（２１）がチョーク弁（２４）の流れ通過面積を制御するように構成されていることを特徴とする請求項６に記載の燃料噴射装置。
8. ニードル制御弁（２０）が二方弁（２９）として作られていて、第一および第二の燃料流路（２２、２３）に接続されており、二方弁（２９）が第一の位置にあるとき、ポンプ（２）が噴射ニードル（１４）の第一および第二の圧力受け面（１７、１８）に接続され、二方弁（２９）が第二の位置にあるとき、ポンプ（２）が噴射ニードル（１４）の第二の圧力受け面（１８）のみに接続されるようになっていることを特徴とする請求項４に記載の燃料噴射装置。
9. あふれ弁（２７）がポンプ（２）と噴射弁（３）とに接続されていて、制御ユニット（２１）からの信号に応じて、燃料の最大圧力が減少させられるようになっていることを特徴とする請求項３または４に記載の燃料噴射装置。
10. 圧力センサー（２５）がポンプ（２）と噴射弁（３）とに接続されていて、該圧力センサー（２５）が燃料圧力に関する信号を制御ユニット（２１）に送るように構成されていることを特徴とする請求項３から９の中のいずれか１つに記載の燃料噴射装置。
11. ポンプ（２）がシリンダー（６）内を往復するピストン（７）を有し、該ピストンが回転カム軸の形のアクチュエータ（８）によって作動させられることを特徴とする請求項３から１０の中のいずれか１つに記載の燃料噴射装置。

Images